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动态功耗主要来自晶体管开关时对负载电容的充放电过程,这里的负载电容指的是晶体管内的寄生电容吗？

已有 187 次阅读| 2025-8-14 15:17 |个人分类:PI|系统分类:芯片设计

动态功耗公式中提到的 “负载电容” 并非仅指晶体管内部的寄生电容，而是多种电容成分的总和，其中既包括晶体管自身的寄生电容，也包括外部互连引入的电容。具体可分为以下几类：

1. 晶体管自身的寄生电容（核心成分之一）

晶体管在制造和工作时，因结构特性会产生固有寄生电容，主要包括：

栅极电容（Cg）：晶体管栅极与沟道之间的电容（由栅极氧化层作为介质形成），是影响开关速度的关键电容。当栅极电压变化时，这部分电容会充放电，直接参与开关过程。
结电容（Cj）：晶体管源极、漏极与衬底之间的 PN 结形成的电容（包括源 - 衬底电容、漏 - 衬底电容），在开关状态切换时会因电压变化而充放电。

2. 互连电容（外部负载电容，随工艺进步占比上升）

芯片中晶体管通过金属导线（互连层）连接形成电路，导线与周围介质、衬底或其他导线之间会产生电容，称为互连电容，主要包括：

线间电容：相邻导线之间的电容（随导线间距缩小而增大，先进制程中影响显著）。
线 - 衬底电容：导线与下方硅衬底之间的电容。

这些互连电容属于 “外部负载”，因为它们是晶体管驱动的 “外部电路” 带来的电容。例如，一个晶体管的输出端连接到另一个晶体管的栅极，那么后者的栅极电容（以及连接导线的电容）都会成为前者的 “负载电容”。

3. 负载电容的本质：“被驱动的总电容”

从电路角度看，“负载电容” 是指晶体管开关过程中需要充放电的所有电容的总和。无论是晶体管自身的寄生电容，还是互连导线或后续电路引入的电容，只要在开关时会被电源充电或放电，就会贡献动态功耗。

例如，一个反相器（由一个 PMOS 和一个 NMOS 组成）的负载电容包括：

自身 PMOS/NMOS 的栅极电容、结电容；
连接到反相器输出端的导线电容；
反相器驱动的下一级电路的输入电容（如下一个反相器的栅极电容）。

总结

负载电容是晶体管开关时需要充放电的所有电容的总和，既包括晶体管内部的寄生电容（如栅极电容、结电容），也包括外部互连导线和后续电路引入的电容。在先进制程中，互连电容的占比逐渐升高，成为负载电容的重要组成部分。这也解释了为何芯片布线设计（减少互连电容）与晶体管工艺改进同样重要 —— 两者都会影响动态功耗。