【案例】基于Lumerical Charge的金属氧化物半导体（MOS）电容器的仿真
本例描述了金属氧化物半导体（MOS）电容器的仿真。在第一部分中，我们将进行稳态仿真以计算MOSCap的静态电容。在第二部分中，我们将进行小信号分析，以研究MOS电容的频率特性。
MOS电容器制备及工作原理：
MOS电容器可以通过在金属板和半导体之间放置绝缘体来制造。施加在金属上的电压使半导体表面上产生正（空穴）或负（电子）电荷，极性相反的电荷积聚在金属处，该结构用作电容器。依据半导体的类型（掺杂）和施加在金属栅极上的电压，MOS电容器有三种工作模式。在一种模式下，施加在金属触点上的电压在半导体表面上积累了大部分载流子，这被称为“累积”。在另一种情况下，施加的电压在半导体表面上产生少数载流子，最初在表面产生一个耗尽区域（“耗尽”工作模式），最终半导体表面的大多数载流子类型被反转，则最后一种模式称为“反转”。在对于累积和强反转两种情形，MOS电容器都可以由传统的平行板电容器近似，并假设为恒定值。然而，在耗尽模式下，耗尽区域的宽度会影响MOSCap的电容，并且电容变得与偏置相关。在累积和强反转中，MOSCap的电容可以近似为：
为绝缘体的介电常数，A是表面积，d是绝缘体的厚度。在耗尽中，MOSCap的容量取决于耗尽区域的厚度，并且在耗尽区域的最大宽度处变小。MOSCap在从耗尽切换到反转之前的最小电容可以近似为：
Wm是耗尽区域的最大宽度， 
是反转开始时的表面电位， 
是半导体的掺杂浓度。在静态和低频率操作的情况下，电容值可以用这些分析表达式来表示。对于耗尽和积累的情况，半导体中电荷的运动是由多数载流子引起的，受到半导体介电弛豫时间的限制，因此非常快。所以，MOSCap在累积和耗尽区域的高频电容遵循其静态值。然而，在反向情形中，反转层通过耗尽区域与本体半导体分离，并且表面电荷的运动受到载流子产生速率的限制。因此，反转电容在高频下变小，几乎等于MOSCap的最小电容[1]。
构建物理模型
构建稳态仿真模型
稳态模拟：
在这部分示例中，我们将对MOS电容器进行稳态仿真并计算其静态电容。将 moscap.ldev 项目文件和 moscap_static_C.lsf 脚本文件下载到同一文件夹中。运行脚本文件，它将执行两次电压扫描，一次从 0 到 2.5 V，另一次从 0 到 -2.5 V，并将计算 MOSCAP 的电容。该脚本将生成以下绘图并将电容值保存在 .mat 文件中。电容曲线的不同区域已被标记。 
通过脚本语言来完成电压扫描绘制出C-V曲线图
小信号仿真：
接下来，我们将对同一 MOSCap 进行小信号交流分析。为此，请将 ssac_moscap.ldev 项目文件和 moscap_ac_Cap.lsf 脚本文件下载到同一文件夹中。该脚本将加载项目文件并在 -2.5 V 至 2.5 V 的每个直流偏置点执行小信号交流分析，并计算 MOSCap 的导纳。导纳的虚部将给出电容值。小信号交流分析将针对 0.001 Hz 至 1 MHz 的频率范围进行。在计算不同频率下的交流电容后，脚本将绘制 MOSFET 的低频 (0.001 Hz) 和高频 (1 MHz) 交流电容以及从稳态仿真计算的静态电容以及解析值 MOSCap 的静态反向/累积电容和最小电容，如上式给出。
小信号分析时需修改Small Signal AC参数
通过脚本语言来完成小信号电压扫描并绘制出C-V曲线图
从图中可以看出，稳态和小信号交流模拟的结果与 MOS 电容器的理论最大值和最小值一致。[1]
参考：[1]https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042760633
翻译：摩尔芯创
