Пороговое напряжение

нанопроволочного МОП-транзистора Вольт-амперная характеристика (слева, с использованием логарифмической оси y) и моделирование электронной плотности (справа), образующей проводящий инверсионный канал, который подключается при пороговом напряжении ~ 0,45 В. Ниже этого напряжения протекает чрезвычайно малый ток.

Пороговое напряжение (FET) , обычно сокращенно V _th или V _GS(th) , полевого транзистора затвор-исток представляет собой минимальное напряжение (V _GS ), которое необходимо для создания проводящего пути между источником и истоком. сливные терминалы. Это важный фактор масштабирования для поддержания энергоэффективности.

Говоря о переходном полевом транзисторе (JFET), пороговое напряжение часто называют напряжением отсечки . Это несколько сбивает с толку, поскольку отключение, применяемое к полевому транзистору с изолированным затвором (IGFET), относится к сужению канала , которое приводит к насыщению тока при сильном смещении исток-сток, даже если ток никогда не отключается. В отличие от Pinch Off , термин «пороговое напряжение» однозначен и относится к тому же понятию в любом полевом транзисторе.

Основные принципы

В n-канальных устройствах с улучшенным режимом проводящий канал внутри транзистора не существует естественным образом. При отсутствии VGS _ионы легирующей примеси, добавленные к корпусу полевого транзистора, образуют область без мобильных носителей, называемую областью истощения . Положительный V _GS притягивает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору. Но около затвора должно быть притянуто достаточное количество электронов, чтобы противостоять ионам примеси и сформировать проводящий канал. Этот процесс называется инверсией . транзистора Проводящий канал подключается от истока к стоку при пороговом напряжении полевого . Еще больше электронов притягиваются к затвору при более высоких VGS _, что расширяет канал.

Обратное верно для p-канального МОП-транзистора «расширенного режима». Когда V _GS = 0, устройство выключено и канал открыт/непроводящий. Приложение отрицательного напряжения на затворе к МОП-транзистору p-типа в «режиме улучшения» увеличивает проводимость каналов, переводя его в состояние «ВКЛ».

Напротив, n-канальные устройства в режиме обеднения имеют проводящий канал, естественным образом существующий внутри транзистора. Соответственно, термин «пороговое напряжение» не совсем применим к включению таких устройств, а вместо этого используется для обозначения уровня напряжения, при котором канал достаточно широк, чтобы позволить электронам легко течь. Этот порог легкости потока также применим к p-канала устройствам с режимом обеднения , в которых отрицательное напряжение от затвора к телу/источнику создает слой обеднения, оттесняя положительно заряженные дырки от границы раздела затвор-изолятор/полупроводник, оставляя обнажил свободную от носителей область неподвижных отрицательно заряженных ионов-акцепторов.

Для МОП-транзистора с обеднением n-канала достаточное отрицательное напряжение V _GS истощает (отсюда и его название) проводящий канал его свободных электронов, переключая транзистор в положение «ВЫКЛ». Аналогично, для МОП-транзистора с «режимом истощения» p-канала достаточное положительное напряжение затвор-исток истощает канал его свободных отверстий, переводя его в состояние «ВЫКЛ».

В широких планарных транзисторах пороговое напряжение практически не зависит от напряжения сток-исток (VDS ₎ и, следовательно, является четко определенной характеристикой, однако в современных МОП-транзисторах нанометрового размера оно менее ясно из-за снижения барьера, индуцированного стоком .

Область истощения nMOSFET в режиме улучшения, смещенного ниже порога

Область истощения nMOSFET в режиме улучшения, смещенного выше порога, с сформированным каналом

На рисунках исток (левая сторона) и сток (правая сторона) обозначены n+, что указывает на сильно легированные (синие) n-области. Примесь обедненного слоя обозначена N _A. ⁻ чтобы указать, что ионы в (розовом) обедненном слое заряжены отрицательно и в нем очень мало дырок. В (красном) объеме количество дырок p = N _A делает объемный заряд нейтральным.

Если напряжение на затворе ниже порогового напряжения (левый рисунок), транзистор «расширяющего режима» выключается и в идеале ток от стока к истоку транзистора отсутствует. Фактически, ток существует даже при смещениях затвора ниже порогового ( подпорогового тока утечки), хотя он невелик и изменяется экспоненциально с изменением смещения затвора. Поэтому в технических характеристиках пороговое напряжение будет указано в соответствии с указанной измеряемой величиной тока (обычно 250 мкА или 1 мА).

Если напряжение на затворе превышает пороговое напряжение (рисунок справа), транзистор «расширенного режима» включается из-за большого количества электронов в канале на границе оксид-кремний, создавая канал с низким сопротивлением, где заряд может поток от стока к истоку. Для напряжений, значительно превышающих пороговое, такая ситуация называется сильной инверсией. Канал сужается, когда V _D > 0, поскольку падение напряжения из-за тока в резистивном канале уменьшает оксидное поле, поддерживающее канал по мере приближения к стоку.

Эффект тела

Эффект тела — это изменение порогового напряжения на величину, примерно равную изменению напряжения основной массы источника, $V_{SB}$, потому что тело влияет на пороговое напряжение (когда оно не привязано к источнику). Его можно рассматривать как вторые ворота, и иногда его называют задними воротами , и, соответственно, эффект тела иногда называют эффектом задних ворот .

Для nMOS MOSFET в улучшенном режиме эффект тела на пороговое напряжение рассчитывается в соответствии с моделью Шичмана-Ходжеса: что справедливо для старых узлов процесса, используя следующее уравнение:

$V_{TN}=V_{TO}+\gamma \left({\sqrt {\left|V_{SB}+2\phi _{F}\right|}}-{\sqrt {\left|2\phi _{F}\right|}}\right)$

где;

$V_{TN}$ - пороговое напряжение при наличии смещения подложки,

$V_{SB}$ - смещение подложки от источника к телу,

$2\phi _{F}$ - поверхностный потенциал,

$V_{TO}$ — пороговое напряжение для нулевого смещения подложки,

$\gamma =\left(t_{ox}/\epsilon _{ox}\right){\sqrt {2q\epsilon _{\text{Si}}N_{A}}}$ параметр эффекта тела,

$t_{ox}$ толщина оксида,

$\epsilon _{ox}$ - оксидная диэлектрическая проницаемость ,

$\epsilon _{\text{Si}}$ диэлектрическая проницаемость кремния,

$N_{A}$ концентрация допинга,

$q$ элементарный заряд .

Зависимость от толщины оксида

В данном технологическом узле, таком как 90-нм процесс КМОП, пороговое напряжение зависит от выбора оксида и его толщины . Используя приведенные выше формулы тела, $V_{TN}$ прямо пропорциональна $\gamma$, и $t_{OX}$, который является параметром толщины оксида.

Таким образом, чем тоньше толщина оксида, тем ниже пороговое напряжение. Хотя это может показаться улучшением, оно требует затрат; поскольку чем тоньше толщина оксида, тем выше будет подпороговый ток утечки через устройство. Следовательно, проектная спецификация для толщины оксида затвора 90 нм была установлена ​​на уровне 1 нм для контроля тока утечки. Этот вид туннелирования получил название туннеля Фаулера-Нордхайма.

$I_{fn}=C_{1}WL(E_{ox})^{2}e^{-{\frac {E_{0}}{E_{ox}}}}$

где;

$C_{1}$ и $E_{0}$ являются константами,

$E_{ox}$ – электрическое поле на оксиде затвора.

До масштабирования конструктивных особенностей до 90 нм распространенным решением этой проблемы был подход с двумя оксидами для создания толщины оксида. При технологическом процессе 90 нм в некоторых случаях применялся подход с тройным оксидом. Один стандартный тонкий оксид используется для большинства транзисторов, другой — для ячеек драйвера ввода-вывода, а третий — для транзисторных ячеек памяти и прохода. Эти различия основаны исключительно на характеристиках толщины оксида при пороговом напряжении КМОП-технологий.

Температурная зависимость

Как и в случае с толщиной оксида, влияющей на пороговое напряжение, температура влияет на пороговое напряжение КМОП-устройства. Расширение части уравнения в «эффект тела» разделе

$\phi _{F}=\left({\frac {kT}{q}}\right)\ln {\left({\frac {N_{A}}{n_{i}}}\right)}$

где;

$\phi _{F}$ составляет половину контактного потенциала,

$k$ — постоянная Больцмана ,

$T$ это температура,

$q$ это элементарный заряд ,

$N_{A}$ является допинг-параметром,

$n_{i}$ – собственный параметр легирования подложки.

Мы видим, что поверхностный потенциал имеет прямую связь с температурой. Как видно выше, пороговое напряжение не имеет прямой зависимости, но не является независимым от эффектов. Это изменение обычно составляет от -4 мВ/К до -2 мВ/К в зависимости от уровня легирования. Изменение температуры на 30 °C приводит к значительному отклонению от расчетного параметра 500 мВ, обычно используемого для 90-нм технологического узла.

Зависимость от случайных флуктуаций легирующей примеси

Случайные флуктуации легирующей примеси (RDF) — это форма изменения процесса, возникающая в результате изменения концентрации имплантированной примеси. В MOSFET-транзисторах RDF в области канала может изменить свойства транзистора, особенно пороговое напряжение. В новых технологических процессах RDF имеет больший эффект, поскольку общее количество легирующих примесей меньше.

Проводятся исследовательские работы с целью подавления колебаний легирующей примеси, которые приводят к изменению порогового напряжения между устройствами, подвергающимися одному и тому же производственному процессу.

См. также

• Работа МОП-транзистора
• Модуляция длины канала
• Многопороговая КМОП

Внешние ссылки

• на тему: «Пороговое напряжение и емкости МОП-транзисторов». Онлайн-лекция доктора Лундстрема