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CMOS工艺可以制作多种电容，包括PN结电容、MOS电容、PIP电容、MIM电容和MOM电容等。这些电容又可分为固定电容和可变电容，其中PIP电容、MIM电容和MOM电容为固定电容，PN结电容和MOS电容为可变电容。固定电容的主要功能是耦合、滤波、反馈和电荷分配等，而可变电容又被称为变容二极管（varactor），主要用于调节 LC 谐振回路的频率。
了解各种电容的版图结构和电学特性对电容选型、版图设计与优化非常重要，下面将进行详细讨论。需要说明的是，虽然在早期的RF CMOS电路中，VCO（Voltage Controlled Oscillator，压控振荡器）中的变容二极管主要用反偏的PN结电容实现，但现在基本上已经被性能更加优良的MOS变容二极管所取代，因此下面将不再讨论PN结电容，有兴趣的读者可参考相关资料。
MOS管栅极与沟道之间的栅氧层很薄，电容密度较大，可以用来制作电容，即MOS电容。在标准CMOS工艺中，MOS电容可以用普通MOS管直接实现，将MOS管的S和D连接在一起作为电容一极，G作为电容另外一极。
当普通MOS晶体管连接成MOS电容时，其电容量会随着栅源电压 Ⅴ GS 而变化， C GS 与 Ⅴ GS 的曲线如图2.25所示。从图2.25中可以看出，曲线呈现出两边平直中间凹陷的形状，两边的平直部分分别对应沟道积累区到强反型区，此时栅极与沟道相当于平板电容，电容是定值。而在中间的过渡区域，沟道经历了从耗尽区到反型区的变化过程， C GS 表现出先下降再上升的变化过程，这种变化使得MOS电容一般不适合作为级间耦合电容使用，而主要用于电源去耦，尤其是在射频或高速电路中用来补偿引线电感和抑制电源噪声。
虽然图2.25中 C GS 的压控特性可以用来做变容二极管，但 C GS 随电压变化的曲线不是单调的，这会给电路设计带来很多不便。为了得到单调的变化曲线，可以像制作PMOS管一样将NMOS管也制作在N阱里，这样就可以消除图中的强反型区，得到 C GS 随 Ⅴ GS 变化的单调曲线，用这种方法制作的MOS变容二极管被称为积累模式MOS变容二极管（accumulate mode MOS varactor） [13，14] 。
图2.26所示为积累模式MOS变容二极管的剖面图和 C GS 变化曲线，在 Ⅴ GS 从负到正的变化过程中，很大的负电压将沟道内的多数载流子（电子）排斥掉，使沟道处于耗尽状态，此时 C GS 很小（ C min ）；而很大的正电压会吸引很多过剩的载流子（电子）到沟道，使沟道处于积累状态，此时 C GS 为平板电容，其电容值达到最大（ C max ）。由于用N阱做衬底，沟道只有从耗尽到积累的变化，没有反型的过程，所以 C GS 的变化是单调的。
图2.25 Ⅴ GS 与 C GS 的变化关系
图2.26 积累模式MOS变容二极管剖面图和 C GS 变化曲线
图2.27所示为多指结构的积累模式MOS变容二极管版图，版图中略去了一些层的显示，以突出MOS变容二极管的版图特点。从图2.27中可以看出，MOS变容二极管的栅极G作为变容二极管的一极，源极和漏极连接在一起作为另一极S，外圈的扩散区为P型扩散区，用于P型衬底接地。
图2.27 多指结构的积累模式MOS变容二极管版图
PIP（Poly Insulator Poly）电容是由Poly1和Poly2交叠构成的平板电容，由于Poly2与Poly1之间的介质层很薄，所以它的电容密度较大，又由于这两个Poly层都通过绝缘介质与外界隔离，所以电压系数也比较小，而且电极连接也基本不受限制，是中低端混合信号工艺中性能最优的电容。
图2.28所示为PIP电容版图和剖面图，剖面图中的a和b代表电容的两个端口。由于Poly1和Poly2上都可以直接打接触孔与金属相连，因此处于底层的Poly1要超出Poly2。为了减少寄生电阻，PIP电容上要尽量多打接触孔。PIP电容在CMOS混合信号集成电路设计中被经常使用，它的主要缺点是Poly2需要额外制版和工艺步骤，会增加芯片成本。
图2.28 PIP电容版图和剖面图
图2.29所示为PIP电容版图，电容约为290fF，有效电容面积为（20×20）μm 2 ，从图中可以看出，Poly2位于Poly1上方，两个极板上都打满了孔，Poly1右侧上的接触孔没有封闭，主要是要给Poly2的电极留出金属走线空间。
图2.29 PIP电容版图
MIM（Metal Insulator Metal）电容是由两层金属板构成的平板电容，其剖面图如图2.30所示。从图中可以看出，为了提高电容密度，MIM电容在两层金属之间制作了金属夹层，金属夹层与金属之间不仅间距较小，并且还填充了高介电常数（high -K ）的介质层，因此它的电容密度比较大。左图为单夹层MIM（Single MIM）电容，右图为双夹层MIM（Dual MIM）电容，双夹层的电容密度比单夹层的电容密度更大。总体来说，与PIP电容相比，单夹层MIM电容密度略小，大概是PIP电容的75%。
图2.30 MIM电容剖面图
MIM电容性能优良，其精度和稳定度都较高，通常从0.35μm工艺开始都可以提供MIM电容。MIM电容适合高精度电路使用，电容两极电位不受限制，金属夹层与衬底距离远，因此与衬底的寄生电容也很小。与PIP电容一样，MIM电容的金属夹层也需要额外的制版和工艺流程，与标准数字CMOS工艺不兼容，增加了工艺复杂度和制版与流片成本。
由于MIM电容的综合指标与PIP电容相差不大，如果PDK中同时有MIM电容和PIP电容，一般也只会选择MIM电容，但如果在版图中已经用到了Poly2层，例如使用了Poly2电阻，那么是否选择MIM电容还要看实际情况，很少同时使用MIM电容和PIP电容。
图2.31所示为单夹层MIM电容版图，最左侧是完整的MIM电容版图，其他图是各个图层的分解，其中与其相邻的M5是电容的底板，M5的右侧是MIM夹层，夹层含在M5内，作为第二个极板与M5形成极板电容，电容的两极用过孔连接到M6，图中电容面积为（15×15）μm 2 ，总容量为0.22pF。由于这种单夹层MIM电容是从顶层金属M6引出电极，因此需要将连线上升到M6，使用起来稍显不便。
由于MIM电容只使用了最上面的两三层金属，而且MIM电容的面积通常也较大，所以很多设计会把一些电路模块放在MIM电容下面，这样可以大大节省版图面积！
图2.31 MIM电容版图
MOM（Metal Oxide Metal）电容由相互靠近的同层金属线构成，通常为叉指（finger）结构（见图2.32）。随着集成电路工艺的进步，金属线间距越来越小，使得同层金属线之间的侧向电容（lateral capacitance）和边缘电容（fringe capacitance）不断增大，因此MOM电容的电容密度也不断增加。为了进一步提高电容密度，MOM电容也可以采用多层金属叠加（stack）的结构，而为了隔离噪声，MOM电容一般制作在连接到电源的N阱上。MOM电容主要用于90nm以上的CMOS工艺，其优点是电容密度大，面积效率高，不需要额外的制版和工艺步骤，与COMS工艺完全兼容。
图2.32 MOM电容叉指结构图
对于以上介绍的4种CMOS模拟集成电路的主要电容，表2.2给出了它们的主要优缺点。了解这些优缺点不仅有利于电容选型，而且还能帮助综合评估电容对电路整体性能的影响，有利于在芯片设计初期合理规划版图设计方案。
表2.2 CMOS电容主要特性对比表
关于电容特性及选型比较，下面给出几条结论性的总结供大家参考：
1）PIP电容和MIM电容都是平板电容，性能差别不大，都需要额外的制版和工艺步骤，一般不同时使用。
2）由于MOM电容与MIM电容的综合性能差不多，而MOM电容又与CMOS工艺兼容，在能满足设计要求的情况下，应该首选MOM电容。
3）MIM电容的面积效率最低，但它的绝对值精度很高，若在MIM电容下面摆放其他电路模块，也可以提高面积效率。
4）虽然MOM电容的绝对值精度不高，但它的比值精度却可以很高，而一般高精度电路总是由比值决定性能，所以使用MOM电容也可以设计出较高精度的电路。比如SAR-ADC中的电容阵，通常是由特殊结构的MOM电容实现的。
5）就品质因数 Q 而言，MOM电容最高，MIM电容次之。
6）就衬底噪声和寄生参数而言，MIM电容最好，因为它远离衬底，MOM电容次之，因为当MOM电容由多层叠加实现时，MOM电容与衬底距离较近。
需要说明的是，虽然表2.2列出了4种主要电容，但是在实际设计中，电容的可选性并不大，因为出于成本考虑，PIP电容和MIM电容一般不同时使用；如果用了MOM电容，PIP电容和MIM电容一般就不会再用了。