可變電容的分類 可變電容的分類 可變電容的分類 可變電容的分類

本節主要介紹金氧半製程所能提供的可變電容分類，包括二極體電容、標準 MOS可變電容、反轉型MOS可變電容，以及累積型可變電容，並由其中選擇出 符合實際上應用的可變電容。

C.2.1 二極體電容二極體電容二極體電容二極體電容(p+_Nwell junction Capacitance)

二極體電容其架構如圖C.2(a)，主要是利用p+和Nwell兩層形成的PN接面 (junction)來實現之，接面的空乏區(depletion region)受逆偏壓(reverse bias)影響而 形成一個壓控可變電容，其容值與調諧電壓的關係如(C.1)式： 電容，而m表示梯度係數(gradient coefficient)，其值範圍約在0.3~0.5[10]；電容 與逆偏壓的關係如圖C.2(b)[22]。此種電容具有極佳的品質因數[23]，然而只有

C.2.2 標準標準標準標準 MOS 可變可變可變可變電容電容電容電容(Standard-mode MOS Varactor)

相較於二極體可變電容，MOS可變電容不存在順偏壓的問題，具有較大的 電壓控制與動態範圍。以NMOS為範例，圖C.3(a)為標準MOS可變電容的製程 結構與電路符號示意圖，其汲極(Drain)、源極(Source)與基底(Bulk)三個端點相連 接，利用與閘極(Gate)端的跨壓來進行電容調諧。其電壓電容特性如圖C.3(b)， 由其中我們可以看出此類可變電容之電容特性非單調曲線，其調諧範圍受到限 制，且當振盪器應用於鎖相迴路時，此特性會使得電路的鎖定時間(lock time)變 長甚至無法成功鎖定。

(a) (b)

圖C.3 N型MOS可變電容 (a)製程結構與電路符號 (b)電容-電壓特性[16]

C.2.3 反轉型反轉型反轉型反轉型 MOS 可變可變可變可變電容電容電容電容(Inversion-mode MOS Varactor)

一般壓控振盪器需要單調(monotonic)特性的調諧，改變標準型態MOS可變 電容中的節點連接方式，將汲極與源極連接，基底接到最低電位(NMOS)或是最

高電位(PMOS)，其製程結構與電路符號如圖C.4(a)(b)，其電容電壓特性如圖

C.5(a)(b)。反轉型可變電容之可調範圍比標準型可變電容的來得大，因為反轉型

可變電容不再進入累積區(Accumulation region)，而是工作於強反轉區與中(弱) 反轉區，另外基底端接到最正或最負電壓，消除了基底效應(Body effect)，使得

電壓電容特性曲線稍微往外移；在強反轉區有高通道電阻存在，關於與可變電容 串聯的寄生電阻，工作在強反轉區時可以用(C.2)式近似[24]：

) (

12 _{BG T}

mos k W V V

R L

−

⋅

= ⋅ ^(C.2)

電阻大小關係到品質因數，故在強反轉區可變電容有最小的品質因數；NMOS 具有較大的載子移動率，即(C.2)式中的k值，所以跟PMOS相較之下其寄生電 阻較低，但由於基底共用的原因使得NMOS可變電容易受基底雜訊影響，此因 素使得PMOS可變電容反而比NMOS有較佳的品質因數表現。然而考慮到layout 與可變電容的調諧方式，論文裡頭採用的為反轉型的可變電容。

(a)

(b)

圖C.4 反轉型MOS可變電容 (a)PMOS製程結構、端點連接方法與電路符號

(b)NMOS製程結構、端點連接方法與電路符號

(a) (b)

圖C.5 反轉型MOS可變電容電壓電容特性曲線 (a) PMOS (b) NMOS C.2.4 累積累積累積累積型型型型 MOS 可變可變可變可變電容電容電容電容(Accumulation-mode MOS Varactor)

與反轉型MOS可變電容一樣，為了達到單調的調整，發展出累積型MOS 可變電容。在一般的PMOS元件中，改變其汲極與源極的參雜型態(doping type)，

由p+改成n+，如圖C.6(a)所示，抑制少數載子電洞在通道中產生，防止進入強

反轉區，而工作在累積區與空乏區，電容電壓特性如圖C.6(b)，較反轉型的可變 電容變化趨勢來得緩和，且因為Nwell上的n+參雜使得寄生電阻來得較小，同

時Nwell亦有隔絕基底雜訊的功能，使得此類電容具有較佳的品質因數；但是在

我們所採用的TSMC 0.35µ^m製程並無提供此類電容，電路設計者欲使用此電容 需要製作測試元件(testkey)建立等效模態參數，始能應用於電路模擬之中。

(a) (b)

圖C.6 累積型MOS可變電容 (a) 製程結構 (b) 電容電壓特性