MOS结电容（上）MOS里的寄生电容到底是什么？

当我们谈论MOSFET的寄生电容时，我们在谈论什么？

EE工程师都会面临MOSFET的选型问题，无论是功率级别应用的Power MOS还是信号级别的Signal MOSFET，他们的Datasheet中，一定会给出MOSFET的三个结电容随Vds电压变化的曲线。

之所以需要关心这些电容，是因为电容容值从某些层面反映了器件的开关特性，影响了包括开关速度、效率、振荡以及EMI在内的各种系统特性。

相信很多EE第一次面对这些寄生电容时，都会觉得玄乎其玄。为什么电容不再是固定的容值，而非要随着DS的电压急剧变化？现实世界往往是非线性和复杂的，今天本着格物致知的精神，我们先从功率MOSFET器件的结构出发，让大家明白MOS里面的这些寄生电容到底是什么，以及怎样对应到实际的电路应用中来，帮助大家形成一些知识上的闭环。

1.横向沟道与垂直沟道

所谓沟道Channel，本质上就是电流在MOS本体中的流通路径。可以看到，沟道的开通与否是由栅极Gate与源极Souce之间的Vgs电压决定，因此MOSFET被认为是电压控制型器件。

如下这张示意图是 横向沟道设计 ，漏源极之间距离小且都置于硅晶圆表面，这样的结构适合集成，多用于信号级的MOS。

功率MOS一般采用的 垂直沟道设计 ，源极和漏极置于晶圆的相反两端。以常见封装TO-220为例，芯片置于框架上，通常将靠近塑封料的一面称为正面，正面主要分布源极和门极，靠近铜框架的一面称为背面，背面主要分布漏极。这样从漏极连到源极的沟道的方向就是“垂直的”。

2.垂直沟道MOS的半导体结构

衬底substrate、外延层epitaxial layer和本体P- Body，和高掺杂N+区构成了垂直沟道MOSFET的半导体结构。

如下a)图，是最早期投入商业应用的VMOS设计，但由于制造的稳定性问题和V形槽尖端的高电场， VMOSFET被取代。

如下b)图，为DMOSFET设计（Fairchild的叫法），可以看到其栅极Gate与表面平行，又称平面型MOS，这是商业上最成功的设计，由于工艺简单，至今还有非常大的年出货量。

当然，当前主流的功率MOS的门极结构如下c)图，使用U型槽设计，称为UMOSFET，或直接称为沟槽型MOS。

可以看到无论哪种结构，MOS的Gate都会与N+区，P- Body区，以及外延层形成一对多的局面，这也是MOS的门极相关电容的主要来源。

3.电容在哪儿？

当我们从应用层考虑寄生电容对电路性能影响时，对于MOS管及其结电容一般采用如下的方式进行建模。

同时，厂家也会在Datasheet中给出Ciss，Coss和Crss的典型值和曲线。如果只是停留在主功率电路的设计层面，工程师只需要知道这些电容的大致范围即可。但在调试过程中，往往需要关注到更细节的瞬态波形，对电容特性的理解就显得至关重要了。

上图为一个MOSFET元胞的纵向截面，只展示左边这一半，右边的一半可以轴对称看过去。一个MOSFET产品往往由成千上万个这样的元胞横向重复并联组成，因此需要有单位面积电容的概念。

Cgs，是栅极对源极的电容。在芯片尺度，这个电容由三部分组成：栅极对源极金属的电容Co，栅极对N+区的电容CN+，栅极对P- Body的电容Cp。在芯片表面，源极金属，N+区和P- Body，都是等电位的。因此栅极对源极的电容容值是以上三个电容容值之和。

其一，栅极对源极金属的电容Co可以表示成：

公式中的物理量意义解释如下

当器件栅极结构确定时，Ao 和to都是确定的值，Co可以认为是固定值。

其二，栅极对N+的电容CN+可以表示为：

公式中的物理量意义解释如下

一些专用仿真软件，对MOS进行物理层面的建模时，Cox是非常典型的一个参数，它反映了栅极氧化物的电容性质。可以认为，Cox也是固定的结构参数，CN+不随Vds电压变化。

其三，唯一随电压变化的就是栅极对P- Body的电容 Cp了。在Vds的低压段，当VDS增大时，耗尽区会扩大至p型体，耗尽区的厚度决定了电容CP的极间距，容值随之减小。但到一定程度后耗尽区的厚度不再增大，不会超过P- Body的10%，最终表现为Cp在高压段随Vds电压变化极小。

Cgd，是栅极对漏极的电容，又称米勒电容。其中，平面型MOS的单位面积的米勒电容可以由以下公式计算如下：

其中，Wd为外延层中耗尽区的宽度。X为表面外延层的横向长度。当DS电压越高时，耗尽区的宽度越大（根据PN结理论，表面外延层中耗尽区的宽度Wd和Vds电压的平方根成正比），有效的米勒电容的极板面积减小，米勒电容容值减小。

Cds，漏源极电容。这个电容的容值大小与P-Body和外延层的接触结构强相关（上图是非常理想的平面型接触，是为了方便大家有一个定性的理解。实际上商用MOSFET的接触结构更多的是三维的，将空间充分利用起来，例如如SuperJuction MOSFET）。这样的结构可以按如下PN结的结电容公式计算：

可以看到，漏源电容也随着Vds的增加而减小，和Vds的平方根成反比，这也是大多数电力电子教科书中近似量化Vds电容非线性的一种方法。