集成电容类型及仿真方法

电容是常用的集成元件，本文对集成电容稍做总结，包括以下几个部分。

• 集成电容类型
• 电容仿真方法
• 仿真实践

一. 集成电容类型

对于CMOS工艺，集成电容一般有mim, mom和mos电容三类。mim和mom电容二端都是金属，线性度较高，可用于OPA补偿电容等，mos电容一般需要一端接地或电源，且线性度差，一般做大电容滤波使用。

• MIM电容（Metal-Insulator-Metal）

对于某些工艺，提供mim电容元件和模型，mim电容相当于一个平行板电容，最顶层二层金属间距较大，形成的电容容值很小，mim电容一般由最顶层二层金属和中间特殊的金属层构成，mim电容结构如下，CTM和Mt-1中间的介质层比较薄，形成的电容密度较高，且在顶层，寄生较小，精度高。

图1. MIM结构

• MOM电容（Metal-Oxide-Metal）

MOM电容一般是金属连线形成的插指电容，结构如下，随着工艺技术的进步，金属线可以靠的更近，同时会有很多金属层可以用，因此这种结构的电容密度在先进工艺下会较大，使用更多。

图2. MOM结构

• MOS电容

MOS晶体管的栅电容可以实现较高的电容密度，但容值会随着栅电压的不同会变化，具有较大的非线性，栅压的不同，晶体管可工作在积累区，耗尽区和反型区。反型区栅氧层下形成大量的反型少子，积累区则形成大量多子，在这二个区，MOS结构类似于平行板电容，容值近似等于栅氧电容Cox，如图所示，是MOS晶体管随栅压变化容值图，为了得到较好的线性度，需MOS电容要工作在反型区，即Vgs>Vth。

图3. MOS容值随栅压的变化

某些工艺下，为了避免反型，专门的MOS管构成MOS电容，会将NMOS管放在n阱，即当栅压为0时候，MOS管已经开启了，阈值电压Vth接近为0，当Vgs>0时候电容值趋于稳定，这种结构称为 积累型MOS电容 ，常称为 native MOS ，下图是这种类型电容结构。

图4. 积累型MOS电容结构

积累型MOS电容容值随着栅压变化而变化的典型曲线如下。

图5. 积累型MOS容值

二. 电容仿真方法

电容大小 定义为电流的基波分量除以电容的电压摆幅，并对角频率进行归一化处理 ，对于电容C，二端电压为V，流过电容的电流为I，那么:

I=sCV=jwCV

|C|=I/|wV|

为了简化，取角频率w=1，即f=1/2* **pi** *w=0.15915，得|C|=I，得到电容值等于1Hz得交流电流值。

三. 仿真实践

一定的工艺下，有给定的电容元件和模型，直接利用这些模型进行交流仿真得到容值，对于如自制的电容结构，通常用电磁仿真工具，如EMX提取参数，获得模型。得到模型便可以进行仿真了，如图所示，cadence环境下得仿真tb和设置，仿真了MIM电容和MOS电容。

图6. ac设置

得到如下ac电流值，和器件的标称值一致，仿真结果和前面分析一致，MIM电容几乎不随电压变化，而MOS电容（非积累型MOS电容）非线性很严重。

图7. 电容仿真结果

对先进工艺下电容进行仿真，如图8所示是mom和moscap电容的仿真结果，mom电容结果仿真是正确的，和器件的标称值一样，ac电流82.2fA(电容82.2fF)，但是对于moscap，仿真的ac电流值高达21.664nA，显然不正确，为何？

图8. 电容仿真结果

实际上， 由于先进工艺下的moscap有较大的漏电流，因此可以简单的将moscap等效为电容和电阻并联的模型 ，阻抗为R/(sRC+1)，提高频率，sRC>>1，才能简化成1/sC，因此仿真中提高ac频率才能得到正确的结果，设置f=15.9GHz，得到仿真图，同时对角频率归一化处理，得到和元件一致的标称值。该MOS电容是积累型MOS电容，曲线和理论分析一致。

图9. 电容仿真结果