從最基本的層面講，所有電容器都是通過由介電（絕緣）材料隔開的電導體（極板）來儲存能量的。當一個極板接收到正電荷，而另一個極板接收到負電荷時，電容器就儲存了電荷。電容器種類繁多，用途各異，包括從在數字電路中存儲計算機內存，到過濾電子信號中的噪聲，再到保護電路的一部分免受另一部分的影響等。

讓我們來了解三種常見的模擬集成電路電容器：金屬-氧化物-金屬（MOM）、金屬-絕緣體-金屬（MIM）和金屬-氧化物-半導體（MOS）電容器。

什么是金屬-氧化物-金屬（MOM）電容器？

金屬-氧化物-金屬（MOM）電容器是芯片中的小型多功能器件。它們是由金屬層構成的交叉指型（就像兩只手十指相扣那樣）結構的多指型電容器。標準金屬布線（以及可選的過孔——布線電路板上的鍍通孔）被用來構成電容器的極板，極板之間的橫向（層內）電容耦合效應可產生所需的電容。

與垂直耦合相比，這種橫向電容耦合可提供更出色的匹配特性，主要是由于橫向尺寸的工藝控制更為精準，不像金屬層和介電層厚度那樣難以控制。為了提高電容密度，可以使用過孔并聯多個金屬層，形成垂直金屬壁或網格。通常，會在MOM電容器中采用金屬線寬和間距最小的最底層金屬層（如M1–M5），以最大限度地提高電容密度。

金屬-氧化物-金屬電容器結構

金屬-氧化物-金屬電容器的優勢

• 成本低
• 電容密度高
• 出色的射頻（RF）特性
• 出色的匹配特性
• 無需額外的掩膜層
• 對稱平面結構

金屬-氧化物-金屬電容器的缺點

• 下極板寄生效應適中
• 密度低
• 串聯電感和電阻較高
• 擊穿電壓低

金屬-氧化物-金屬電容器的應用

• 高速集成電路（IC）
• 微電子
• RF和模擬應用
• 振蕩電路

什么是金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容器？

金屬-絕緣體-金屬（MIM）電容器是另一類具有明顯優勢的緊湊型電容器。它們類似于平行板電容器，其中金屬板（電極）由絕緣材料（介電）隔開。這類電容器具有較高的單位面積電容，因此得到了廣泛應用。為了進一步提高電容值，MIM電容器通常由三塊板構成，其中兩層是標準制造工藝的金屬層（通常是最上層），中間是一個特殊金屬層。這種獨特的布局使MIM電容器能夠實現更高的電容密度，同時保持絕緣介電材料的穩定性能和低漏電優勢。

金屬-絕緣體-金屬電容器結構

金屬-絕緣體-金屬電容器的優勢

• 穩定的電容
• 單位面積電容高
• 良好的品質因數
• 良好的線性特性

金屬-絕緣體-金屬電容器的缺點

• 需要特殊工藝來創建掩膜層
• 成本更高

金屬-絕緣體-金屬電容器的應用

• 集成電路（IC）
• 存儲器模塊
• RF和微波器件
• 光電探測器

什么是金屬-氧化物-半導體（MOS）電容器？

金屬-氧化物-半導體（MOS）電容器本質上是一種用作電容器的晶體管，其中柵極是電容器的上極板，漏極和源極連接構成下極板，而柵極的薄氧化層是絕緣層。MOS電容器本身并不是一種廣泛使用的器件，不過，它是MOS晶體管（金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱MOSFET）的組成部分。

MOS電容器的電容值取決于施加在柵極上的直流電壓。變化的電壓會改變柵極的耗盡區，從而改變介電屬性，進而改變電容。MOS電容器在本地電源去耦應用中尤其有用，在這種應用中，直流電壓保持恒定。

金屬-氧化物-半導體電容器的優勢

• 與MIM電容器相比，單位面積電容更高
• 柵極絕緣體（SiO2）更薄

金屬-氧化物-半導體電容器的缺點

• 電容變化顯著，限制了其工作電壓范圍
• 下極板的寄生電阻會影響性能

金屬-氧化物-半導體電容器的應用

• IC
• 模擬電路
• 電壓參考電路
• 可調濾波器

P型半導體金屬-氧化物-半導體電容器

MOM、MIM和MOS比較

利用仿真提取電容

MOM電容器是一種復雜的結構，其體積相當大，由許多超薄 “手指” 結構組成。這些電容器極易受到布局相關效應（LDE）的影響而變形。因此，必須對LDE進行精確建模，以確保計算出MOM電容器的準確模型。在整體布局環境中對MOM電容器進行建模，使設計人員能夠預測它們與電路其余部分之間的電容耦合，這對于敏感應用至關重要。然而，使用傳統的電磁（EM）求解器并不總能實現這種精度水平。因此，設計人員通常選擇將MOM電容器視為分立組件，并將其模型直接連接到測試臺進行仿真。

制造MIM電容器是一項更大的挑戰，因為在制造過程中需要額外的掩膜層。技術文件中會引入專用的MIM層，以定義和設計MIM電容器。在完整布局環境中對完整的MIM結構進行建模，對于預測電容精度至關重要。

MOM和MIM電容器廣泛應用于集成電路，尤其是RF和模擬應用，而使用仿真軟件對這些電容器進行準確建模，對于確保電容精度和滿足布局方面的匹配要求至關重要。Ansys RaptorH能夠提取所有無源器件以及任意布線布局（無論是成熟設計還是正在開發中的布局）的電磁模型。這些組件可以是平面（實心的或者帶孔的）、傳輸線、螺旋電感器和MIM/MOM電容器，它們可以與高速/高頻布線一起提取，以計算全耦合電磁模型。此外，憑借自動化的額外優勢，使電磁提取任務的設置變得非常簡單且快速。