MOS管的电容

MOS的电容结构是MOSFET的核心，同时关于MOS管的大量特性信息都可以从器件的电容-电压特性曲线中得到。

我们从电容定义：C=dQ/dV出发来看MOS电容的三个工作状态：堆积，耗尽和反型。

1. 堆积模式：如下图所示为P型衬底MOS管，在栅极加负偏电压下MOS电容的能带图。

在氧化层-半导体界面处产生了“空穴”堆积层；电压的变化（dV）将会导致堆积电荷（dQ）发生变化，此时电荷密度的变化发生在栅氧化层的边缘，类似平行板电容器，其电容就是栅氧化层电容；电容大小不变。

2. 耗尽模式：如下图所示，为栅极加小的正偏电压下，MOS电容的能带图。

此时氧化层-半导体相邻处产生了空间电荷区，氧化层电容与耗尽层电容是串联的，电压的增加将改变空间电荷区宽度和电荷密度的改变。

经过公式计算，总电容C（耗尽层）随着空间电荷宽度的增加而减少；阈值反型点是当达到最大耗尽层宽度且反型层电荷密度为0时的情况，此时将得到最小电容：Cmin。

3. 反型模式：如下图所示为栅极加大的正偏电压下，MOS电容的能带图。

此时MOS电容电压改变将导致和反型层电荷密度发生变化，而空间电荷宽度不变；如果反型层电荷能跟的上电容电压的变化，此时总电容就是栅氧化层电容（同堆积模式）。

4. 我们最终将整个过程连贯起来，下图为理想电容和栅压的函数曲线，即P型衬底MOS电容的电容-电压特性。

其中弱反型区是：栅压仅改变空间电荷区密度和当栅压仅改变反型层电荷时的过渡区。

我们可以看到MOS管在VGS加反压以及打开MOS管后继续增加的正偏电压，这两种情况下电容值是比较大的，其值等于MOS管G极与衬底平板电容的容值，但是MOS管打开过程的寄生电容容值是较小的。

对于高频信号来说，由于反型层的“自由电子”并不能瞬间增加或减少（因为反型层“自由电子”来源于P型衬底的少子扩散以及空间电荷区热运动产生的电子-空穴对），在高频时反型层“自由电子”并不会响应电容电压的微小改变，只有G极和空间电荷区处的电荷发生变化，所以MOS电容的容值大小就是Cmin。