电容器 | 一文详解MOM、MIM和MOS及其区别

从最基本的层面讲，所有电容器都是通过由介电（绝缘）材料隔开的电导体（极板）来储存能量的。当一个极板接收到正电荷，而另一个极板接收到负电荷时，电容器就储存了电荷。电容器种类繁多，用途各异，包括从在数字电路中存储计算机内存，到过滤电子信号中的噪声，再到保护电路的一部分免受另一部分的影响等。

让我们来了解三种常见的模拟集成电路电容器：金属-氧化物-金属（MOM）、金属-绝缘体-金属（MIM）和金属-氧化物-半导体（MOS）电容器。

什么是金属-氧化物-金属（MOM）电容器？

金属-氧化物-金属（MOM）电容器是芯片中的小型多功能器件。它们是由金属层构成的交叉指型（就像两只手十指相扣那样）结构的多指型电容器。标准金属布线（以及可选的过孔——布线电路板上的镀通孔）被用来构成电容器的极板，极板之间的横向（层内）电容耦合效应可产生所需的电容。

与垂直耦合相比，这种横向电容耦合可提供更出色的匹配特性，主要是由于横向尺寸的工艺控制更为精准，不像金属层和介电层厚度那样难以控制。为了提高电容密度，可以使用过孔并联多个金属层，形成垂直金属壁或网格。通常，会在MOM电容器中采用金属线宽和间距最小的最底层金属层（如M1–M5），以最大限度地提高电容密度。

金属-氧化物-金属电容器的优势

• 成本低

• 电容密度高

• 出色的射频（RF）特性

• 出色的匹配特性

• 无需额外的掩膜层

• 对称平面结构

金属-氧化物-金属电容器的缺点

• 下极板寄生效应适中

• 密度低

• 串联电感和电阻较高

• 击穿电压低

金属-氧化物-金属电容器的应用

• 高速集成电路（IC）

• 微电子

• RF和模拟应用

• 振荡电路

什么是金属-绝缘体-金属（MIM）电容器？

金属-绝缘体-金属（MIM）电容器是另一类具有明显优势的紧凑型电容器。它们类似于平行板电容器，其中金属板（电极）由绝缘材料（介电）隔开。这类电容器具有较高的单位面积电容，因此得到了广泛应用。为了进一步提高电容值，MIM电容器通常由三块板构成，其中两层是标准制造工艺的金属层（通常是最上层），中间是一个特殊金属层。这种独特的布局使MIM电容器能够实现更高的电容密度，同时保持绝缘介电材料的稳定性能和低漏电优势。

金属-绝缘体-金属电容器的优势

• 稳定的电容

• 单位面积电容高

• 良好的品质因数

• 良好的线性特性

金属-绝缘体-金属电容器的缺点

• 需要特殊工艺来创建掩膜层

• 成本更高

金属-绝缘体-金属电容器的应用

• 集成电路（IC）

• 存储器模块

• RF和微波器件

• 光电探测器

什么是金属-氧化物-半导体（MOS）电容器？

金属-氧化物-半导体（MOS）电容器本质上是一种用作电容器的晶体管，其中栅极是电容器的上极板，漏极和源极连接构成下极板，而栅极的薄氧化层是绝缘层。MOS电容器本身并不是一种广泛使用的器件，不过，它是MOS晶体管（金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET）的组成部分。

MOS电容器的电容值取决于施加在栅极上的直流电压。变化的电压会改变栅极的耗尽区，从而改变介电属性，进而改变电容。MOS电容器在本地电源去耦应用中尤其有用，在这种应用中，直流电压保持恒定。

金属-氧化物-半导体电容器的优势

• 与MIM电容器相比，单位面积电容更高

• 栅极绝缘体（SiO2）更薄

金属-氧化物-半导体电容器的缺点

• 电容变化显著，限制了其工作电压范围

• 下极板的寄生电阻会影响性能

金属-氧化物-半导体电容器的应用

• IC

• 模拟电路

• 电压参考电路

• 可调滤波器

MOM、MIM和MOS比较

利用仿真提取电容

MOM电容器是一种复杂的结构，其体积相当大，由许多超薄 “手指” 结构组成。这些电容器极易受到布局相关效应（LDE）的影响而变形。因此，必须对LDE进行精确建模，以确保计算出MOM电容器的准确模型。在整体布局环境中对MOM电容器进行建模，使设计人员能够预测它们与电路其余部分之间的电容耦合，这对于敏感应用至关重要。然而，使用传统的电磁（EM）求解器并不总能实现这种精度水平。因此，设计人员通常选择将MOM电容器视为分立组件，并将其模型直接连接到测试台进行仿真。

制造MIM电容器是一项更大的挑战，因为在制造过程中需要额外的掩膜层。技术文件中会引入专用的MIM层，以定义和设计MIM电容器。在完整布局环境中对完整的MIM结构进行建模，对于预测电容精度至关重要。

MOM和MIM电容器广泛应用于集成电路，尤其是RF和模拟应用，而使用仿真软件对这些电容器进行准确建模，对于确保电容精度和满足布局方面的匹配要求至关重要。Ansys RaptorH能够提取所有无源器件以及任意布线布局（无论是成熟设计还是正在开发中的布局）的电磁模型。这些组件可以是平面（实心的或者带孔的）、传输线、螺旋电感器和MIM/MOM电容器，它们可以与高速/高频布线一起提取，以计算全耦合电磁模型。此外，凭借自动化的额外优势，使电磁提取任务的设置变得非常简单且快速。