本例描述了金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）電容器的仿真。在第一部分中，我們將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真以計(jì)算MOSCap的靜態(tài)電容。在第二部分中，我們將進(jìn)行小信號分析，以研究MOS電容的頻率特性。
MOS電容器制備及工作原理：
MOS電容器可以通過在金屬板和半導(dǎo)體之間放置絕緣體來制造。施加在金屬上的電壓使半導(dǎo)體表面上產(chǎn)生正（空穴）或負(fù)（電子）電荷，極性相反的電荷積聚在金屬處，該結(jié)構(gòu)用作電容器。依據(jù)半導(dǎo)體的類型（摻雜）和施加在金屬柵極上的電壓，MOS電容器有三種工作模式。在一種模式下，施加在金屬觸點(diǎn)上的電壓在半導(dǎo)體表面上積累了大部分載流子，這被稱為“累積”。在另一種情況下，施加的電壓在半導(dǎo)體表面上產(chǎn)生少數(shù)載流子，最初在表面產(chǎn)生一個耗盡區(qū)域（“耗盡”工作模式），最終半導(dǎo)體表面的大多數(shù)載流子類型被反轉(zhuǎn)，則最后一種模式稱為“反轉(zhuǎn)”。在對于累積和強(qiáng)反轉(zhuǎn)兩種情形，MOS電容器都可以由傳統(tǒng)的平行板電容器近似，并假設(shè)為恒定值。然而，在耗盡模式下，耗盡區(qū)域的寬度會影響MOSCap的電容，并且電容變得與偏置相關(guān)。在累積和強(qiáng)反轉(zhuǎn)中，MOSCap的電容可以近似為：
為絕緣體的介電常數(shù)，A是表面積，d是絕緣體的厚度。在耗盡中，MOSCap的容量取決于耗盡區(qū)域的厚度，并且在耗盡區(qū)域的最大寬度處變小。MOSCap在從耗盡切換到反轉(zhuǎn)之前的最小電容可以近似為：
Wm是耗盡區(qū)域的最大寬度，
是反轉(zhuǎn)開始時(shí)的表面電位，
是半導(dǎo)體的摻雜濃度。在靜態(tài)和低頻率操作的情況下，電容值可以用這些分析表達(dá)式來表示。對于耗盡和積累的情況，半導(dǎo)體中電荷的運(yùn)動是由多數(shù)載流子引起的，受到半導(dǎo)體介電弛豫時(shí)間的限制，因此非常快。所以，MOSCap在累積和耗盡區(qū)域的高頻電容遵循其靜態(tài)值。然而，在反向情形中，反轉(zhuǎn)層通過耗盡區(qū)域與本體半導(dǎo)體分離，并且表面電荷的運(yùn)動受到載流子產(chǎn)生速率的限制。因此，反轉(zhuǎn)電容在高頻下變小，幾乎等于MOSCap的最小電容[1]。
構(gòu)建物理模型
構(gòu)建穩(wěn)態(tài)仿真模型
穩(wěn)態(tài)模擬：
在這部分示例中，我們將對MOS電容器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真并計(jì)算其靜態(tài)電容。將 moscap.ldev 項(xiàng)目文件和 moscap_static_C.lsf 腳本文件下載到同一文件夾中。運(yùn)行腳本文件，它將執(zhí)行兩次電壓掃描，一次從 0 到 2.5 V，另一次從 0 到 -2.5 V，并將計(jì)算 MOSCAP 的電容。該腳本將生成以下繪圖并將電容值保存在 .mat 文件中。電容曲線的不同區(qū)域已被標(biāo)記。
通過腳本語言來完成電壓掃描繪制出C-V曲線圖
小信號仿真：
接下來，我們將對同一 MOSCap 進(jìn)行小信號交流分析。為此，請將 ssac_moscap.ldev 項(xiàng)目文件和 moscap_ac_Cap.lsf 腳本文件下載到同一文件夾中。該腳本將加載項(xiàng)目文件并在 -2.5 V 至 2.5 V 的每個直流偏置點(diǎn)執(zhí)行小信號交流分析，并計(jì)算 MOSCap 的導(dǎo)納。導(dǎo)納的虛部將給出電容值。小信號交流分析將針對 0.001 Hz 至 1 MHz 的頻率范圍進(jìn)行。在計(jì)算不同頻率下的交流電容后，腳本將繪制 MOSFET 的低頻 (0.001 Hz) 和高頻 (1 MHz) 交流電容以及從穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算的靜態(tài)電容以及解析值 MOSCap 的靜態(tài)反向/累積電容和最小電容，如上式給出。
小信號分析時(shí)需修改Small Signal AC參數(shù)
通過腳本語言來完成小信號電壓掃描并繪制出C-V曲線圖
從圖中可以看出，穩(wěn)態(tài)和小信號交流模擬的結(jié)果與 MOS 電容器的理論最大值和最小值一致。[1]
參考：[1]https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042760633
翻譯：摩爾芯創(chuàng)
