晶體管閾值電壓,閾值電壓有哪些影響因素?-KIA MOS管

閾值電壓

場效應(yīng)晶體管 (FET) 的閾值電壓通常縮寫為 Vth 或 VGS(th)，是在源極端子和漏極端子之間形成導(dǎo)電路徑所需的最小柵源電壓 (VGS)。它是保持電源效率的重要比例因子。

當(dāng)提及結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 時(shí)，閾值電壓通常稱為夾斷電壓。因?yàn)閼?yīng)用于絕緣柵場效應(yīng)晶體管 (IGFET) 的夾斷是指在高源-漏偏壓下導(dǎo)致電流飽和行為的溝道夾斷，即使電流從未關(guān)閉。與夾斷不同，閾值電壓一詞是明確的，在任何場效應(yīng)晶體管中都指代相同的概念。

晶體管閾值電壓（Threshold voltage）：

場效應(yīng)晶體管（FET）的閾值電壓就是指耗盡型FET的夾斷電壓與增強(qiáng)型FET的開啟電壓。

（1）對(duì)于JFET：

對(duì)于長溝道JFET，一般只有耗盡型的器件；SIT（靜電感應(yīng)晶體管）也可以看成為一種短溝道JFET，該器件就是增強(qiáng)型的器件。

（2）對(duì)于MOSFET：

*增強(qiáng)型MOSFET的閾值電壓VT是指剛剛產(chǎn)生出溝道(表面強(qiáng)反型層)時(shí)的外加?xùn)烹妷骸?/span>

①對(duì)于理想的增強(qiáng)型MOSFET（即系統(tǒng)中不含有任何電荷狀態(tài)，在柵電壓Vgs = 0時(shí)，半導(dǎo)體表面的能帶為平帶狀態(tài)），閾值電壓可給出為VT = ( SiO2層上的電壓Vi ) + 2ψb = －[2εεo q Na ( 2ψb )] / Ci + 2ψb ,式中Vi ≈ (耗盡層電荷Qb) / Ci，Qb =－( 2εεo q Na [ 2ψb ] )，Ci是單位面積的SiO2電容，ψb是半導(dǎo)體的Fermi勢(shì)（等于本征Fermi能級(jí)Ei與Ef之差）。

②對(duì)于實(shí)際的增強(qiáng)型MOSFET，由于金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差φms 和Si-SiO2系統(tǒng)中電荷的影響, 在Vgs = 0時(shí)半導(dǎo)體表面能帶即已經(jīng)發(fā)生了彎曲，從而需要另外再加上一定的電壓——“平帶電壓”才能使表面附近的能帶與體內(nèi)拉平。

因?yàn)榻饘?半導(dǎo)體的功函數(shù)差可以用Fermi勢(shì)來表示:φms = (柵金屬的Fermi勢(shì)ψG )－(半導(dǎo)體的Fermi勢(shì)ψB ) ,ψb = ( kT/q ) ln(Na/ni) ，對(duì)多晶硅柵電極(通常是高摻雜)，ψg≈±0.56 V [+用于p型, －用于n型柵]。而且SiO2/Si 系統(tǒng)內(nèi)部和界面的電荷的影響可用有效界面電荷Qf表示。從而可給出平帶電壓為 Vfb = φms－Qf /Ci 。

所以，實(shí)際MOSFET的閾值電壓為VT = －[2εεo q Na ( 2ψb )] /Ci + 2ψb +φms－Qf /Ci 。

進(jìn)一步，若當(dāng)半導(dǎo)體襯底還加有反向偏壓Vbs時(shí)，則將使溝道下面的耗盡層寬度有一定的增厚, 從而使閾值電壓變化為：VT = －[2εεo q Na ( 2ψb+Vbs )] /Ci + 2ψb +φms－Qf /Ci 。

在制造MOSFET時(shí)，為了獲得所需要的VT值和使VT值穩(wěn)定，就需要采取若干有效的技術(shù)措施；這里主要是控制Si-SiO2系統(tǒng)中電荷Qf ：其中的固定正電荷(直接影響到VT值的大小) 與半導(dǎo)體表面狀態(tài)和氧化速度等有關(guān)(可達(dá)到<1012/cm2); 而可動(dòng)電荷 (影響到VT值的穩(wěn)定性) 與Na+等的沾污有關(guān)。因此特別需要注意在氧化等高溫工藝過程中的清潔度。

*耗盡型MOSFET的閾值電壓VT是指剛好夾斷溝道時(shí)的柵極電壓。情況與增強(qiáng)型器件的類似。

（3）對(duì)于BJT，閾值電壓VTB是指輸出電流Ic等于某一定值Ict (如1mA) 時(shí)的Vbe值。由VTB = (kT/q) ln(Ict/Isn) 得知：a)凡是能導(dǎo)致Ic發(fā)生明顯變化的因素 (如摻雜濃度和結(jié)面積等)，卻對(duì)VTB影響不大，則BJT的VTB可控性較好；b) VTB 對(duì)于溫度很敏感，將隨著溫度的升高而靈敏地降低，則可用VTB值來感測(cè)溫度。

閾值電壓有哪些影響因素?

第一個(gè)影響閾值電壓的因素是作為介質(zhì)的二氧化硅(柵氧化層)中的電荷Qss以及電荷的性質(zhì)。這種電荷通常是由多種原因產(chǎn)生的，其中的一部分帶正電，一部分帶負(fù)電，其凈電荷的極性顯然會(huì)對(duì)襯底表面產(chǎn)生電荷感應(yīng)，從而影響反型層的形成，或者是使器件耗盡，或者是阻礙反型層的形成。Qss通常為可動(dòng)正電荷。

第二個(gè)影響閾值電壓的因素是襯底的摻雜濃度。要在襯底的上表面產(chǎn)生反型層，必須施加能夠?qū)⒈砻婧谋M并且形成襯底少數(shù)載流子的積累的柵源電壓，這個(gè)電壓的大小與襯底的摻雜濃度有直接的關(guān)系。襯底摻雜濃度(QB)越低，多數(shù)載流子的濃度也越低，使襯底表面耗盡和反型所需要的電壓VGS越小。

所以，襯底摻雜濃度是一個(gè)重要的參數(shù)，襯底摻雜濃度越低，器件的閾值電壓數(shù)值將越小，反之則閾值電壓值越高。對(duì)于一個(gè)成熟穩(wěn)定的工藝和器件基本結(jié)構(gòu)，器件閾值電壓的調(diào)整，主要通過改變襯底摻雜濃度或襯底表面摻雜濃度進(jìn)行。襯底表面摻雜濃度的調(diào)整是通過離子注入雜質(zhì)離子進(jìn)行。

第三個(gè)影響閾值電壓的因素是由柵氧化層厚度tOX決定的單位面積柵電容的大小。單位面積柵電容越大，電荷數(shù)量變化對(duì)VGS的變化越敏感，器件的閾值電壓則越小。實(shí)際的效應(yīng)是，柵氧化層的厚度越薄，單位面積柵電容越大，相應(yīng)的閾值電壓數(shù)值越低。但因?yàn)闁叛趸瘜釉奖。趸瘜又械膱鰪?qiáng)越大，因此，柵氧化層的厚度受到氧化層擊穿電壓的限制。

選用其他介質(zhì)材料做柵介質(zhì)是當(dāng)前工藝中的一個(gè)方向。例如選用氮氧化硅 SiNxOy 替代二氧化硅是一個(gè)微電子技術(shù)的發(fā)展方向。正在研究其它具有高介電常數(shù)的材料，稱為高k柵絕緣介質(zhì)。

第四個(gè)對(duì)器件閾值電壓具有重要影響的參數(shù)是柵材料與硅襯底的功函數(shù)差ΦMS的數(shù)值，這和柵材料性質(zhì)以及襯底的摻雜類型有關(guān)，在一定的襯底摻雜條件下，柵極材料類型和柵極摻雜條件都將改變閾值電壓。對(duì)于以多晶硅為柵極的器件，器件的閾值電壓因多晶硅的摻雜類型以及摻雜濃度而發(fā)生變化。

可見，在正常條件下，很容易得到增強(qiáng)型PMOS管。為了制得增強(qiáng)型NMOS管，則需注意減少Q(mào)ss、Qox，增加QB。采用硅柵工藝對(duì)制做增強(qiáng)型NMOS管和絕對(duì)值小的增強(qiáng)型PMOS管有利。

溫度對(duì)閾值電壓的影響

溫度對(duì)晶體管閾值電壓的影響是一種重要的影響因素，其影響的原因是由于溫度的變化會(huì)導(dǎo)致材料本身的物理特性發(fā)生變化。

在晶體管的工作中，閾值電壓是指控制電壓與柵極電壓之差，達(dá)到這個(gè)電壓值后晶體管就開始導(dǎo)通。隨著溫度的變化，導(dǎo)體的電阻會(huì)發(fā)生變化，從而影響到柵極電壓的大小，同時(shí)材料的電子特性也會(huì)發(fā)生變化，從而影響到閾值電壓的大小。

一般來說，當(dāng)溫度升高時(shí)，閾值電壓會(huì)降低，這意味著控制電壓與柵極電壓之差變小，晶體管容易被激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，從而會(huì)增加功耗和熱量。因此，在設(shè)計(jì)中需要考慮溫度對(duì)閾值電壓的影響，并對(duì)芯片進(jìn)行充分的溫度測(cè)試和特性化，以保證芯片在不同溫度下的正常工作。

IC芯片必須適應(yīng)溫度不恒定的環(huán)境，當(dāng)芯片運(yùn)行時(shí)，由于開關(guān)功耗、短路功耗和漏電功耗會(huì)使芯片內(nèi)部的溫度發(fā)生變化。溫度波動(dòng)對(duì)性能的影響通常被認(rèn)為是線性的，通常對(duì)于一個(gè)管子，當(dāng)溫度升高，空穴/電子的遷移率會(huì)變慢（晶格振動(dòng)散射對(duì)載流子的影響越來越強(qiáng)），使延時(shí)增加。

注意溫度翻轉(zhuǎn)效應(yīng)：

但在深亞微米,溫度對(duì)性能的影響會(huì)導(dǎo)致一種溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因?yàn)闇囟鹊纳咭矔?huì)使管子的閾值電壓降低，較低的閾值電壓意味著更高的電流，因此管子的延時(shí)減小，而在溫度較低時(shí)，閾值電壓帶來的變化對(duì)性能的影響更大，因此器件會(huì)出現(xiàn)一段性能隨溫度下降的曲線，之后再隨溫度上升，至于溫度翻轉(zhuǎn)點(diǎn)跟具體的工藝相關(guān)。

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