MOSFET閾值電壓是什么？影響MOSFET閾值電壓的因素有哪些？

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是現(xiàn)代電子學(xué)中極為重要的器件之一，廣泛應(yīng)用于集成電路、電源管理、信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域。其核心特性之一便是其閾值電壓（Threshold Voltage, 通常表示為V th ），這一參數(shù)直接決定了MOSFET的開關(guān)行為和工作模式。下面，我們將深入探討MOSFET閾值電壓的概念、影響因素，并嘗試在有限的篇幅內(nèi)盡可能詳盡地闡述這些內(nèi)容。

一、MOSFET閾值電壓的定義

MOSFET的閾值電壓是指使MOSFET從截止?fàn)顟B(tài)（即溝道不導(dǎo)電）轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)（即溝道開始導(dǎo)電）所需的最小柵極-源極電壓（VGS）。在這個(gè)電壓點(diǎn)，溝道中的載流子濃度足夠高，以至于能夠形成連續(xù)的導(dǎo)電通道，允許電流在源極和漏極之間流動(dòng)。閾值電壓是MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)之一，它不僅決定了器件的開關(guān)特性，還影響著電路的整體性能、功耗和穩(wěn)定性。

二、MOSFET閾值電壓測試方法

對(duì)于功率MOSFET,通常在250uA的漏源電流下測量。Vth主要取決于柵極氧化層厚度和溝道摻雜濃度。
不同的廠家定義Vth參數(shù)的測試條件略有不同，有的廠家會(huì)固定漏極電壓，掃描柵源電壓，當(dāng)漏極電流達(dá)到某一值時(shí)提取Vth。針對(duì)這種測試可以使用easyexpert軟件中application test下已經(jīng)內(nèi)置的測試案例完成。

但是有的客戶需要同時(shí)對(duì)VGS和VDS進(jìn)行sweep，相當(dāng)于VGS=VDS，然后觀察特定Id下的vth的值，這也是非常簡單，只需要在上面的應(yīng)用中將測試模式改為Vgsoff就可以了。

對(duì)于小功率mosfet，提取Vth的方法是采用最大跨導(dǎo)法，也可以直接調(diào)用easyexpert軟件中CMOS案例下的VthgmMax應(yīng)用來測試。

三、影響MOSFET閾值電壓的因素

MOSFET的閾值電壓受多種因素的共同影響，這些因素大致可以分為工藝參數(shù)、物理效應(yīng)和外部環(huán)境三大類。

1. 工藝參數(shù)

（1）溝道摻雜濃度

• 溝道區(qū)的摻雜濃度直接影響閾值電壓。在N型MOSFET中，溝道區(qū)為P型摻雜，若摻雜濃度增加，意味著需要更高的柵極電壓來耗盡溝道中的空穴并吸引電子形成導(dǎo)電溝道，因此閾值電壓會(huì)上升。反之，對(duì)于P型MOSFET，溝道區(qū)為N型摻雜，摻雜濃度增加會(huì)導(dǎo)致閾值電壓下降。

（2）柵氧化層厚度

• 柵氧化層（即絕緣層）的厚度是影響閾值電壓的另一重要因素。較厚的柵氧化層需要更高的柵極電壓才能在溝道中產(chǎn)生足夠的電場以吸引或排斥載流子，因此閾值電壓會(huì)增大。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，柵氧化層厚度不斷減小，這有助于降低閾值電壓并提高器件性能。

（3）柵極材料與工作函數(shù)

• 柵極材料的功函數(shù)（即電子從金屬轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體所需的最小能量）也會(huì)影響閾值電壓。功函數(shù)差異較大的柵極和溝道材料組合需要更高的柵極電壓來克服能壘，形成導(dǎo)電溝道，因此會(huì)導(dǎo)致閾值電壓的變化。

（4）制造工藝中的應(yīng)力

• 制造過程中的機(jī)械或熱應(yīng)力可能會(huì)影響晶體管的晶格結(jié)構(gòu)和材料特性，進(jìn)而改變閾值電壓。例如，溝道區(qū)的應(yīng)變可能會(huì)改變載流子的有效質(zhì)量和遷移率，從而影響閾值電壓。

2. 物理效應(yīng)

（1）短溝道效應(yīng)

• 隨著MOSFET尺寸的縮小，特別是溝道長度的縮短，短溝道效應(yīng)變得顯著。這種效應(yīng)包括直接隧穿、熱載流子注入等，它們會(huì)改變溝道中的電荷分布和電場分布，進(jìn)而影響閾值電壓。短溝道效應(yīng)通常導(dǎo)致閾值電壓的降低和亞閾值擺幅的增大。

（2）量子效應(yīng)

• 在極小的MOSFET結(jié)構(gòu)中，量子效應(yīng)開始顯現(xiàn)，如量子隧穿、量子化能級(jí)等。這些效應(yīng)會(huì)改變載流子的輸運(yùn)特性，影響閾值電壓的精確計(jì)算和控制。

（3）體效應(yīng)（也稱背柵效應(yīng)）

• 體效應(yīng)是指源極、漏極和體（或襯底）之間的相互作用對(duì)閾值電壓的影響。當(dāng)體電位改變時(shí)，溝道中的電荷分布會(huì)發(fā)生變化，從而影響閾值電壓。這種效應(yīng)在SOI（絕緣體上硅）MOSFET中尤為顯著。

3. 外部環(huán)境

（1）溫度

• 溫度是影響MOSFET性能的重要外部環(huán)境因素之一。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度減小，載流子濃度增加，遷移率變化，這些因素共同作用于閾值電壓。一般來說，溫度升高會(huì)導(dǎo)致閾值電壓降低，但具體變化還受其他因素如摻雜濃度、氧化層質(zhì)量等的影響。

（2）輻射

• 輻射（如X射線、γ射線、中子輻射等）會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料造成損傷，改變其電學(xué)特性，包括閾值電壓。輻射誘導(dǎo)的缺陷和陷阱會(huì)捕獲載流子，影響溝道中的電荷分布和電場分布，從而導(dǎo)致閾值電壓的偏移。

（3）電源電壓

• 電源電壓（VDD）雖然不直接改變MOSFET的閾值電壓，但它通過影響MOSFET的工作狀態(tài)間接地對(duì)閾值電壓的感知產(chǎn)生影響。在數(shù)字電路中，當(dāng)電源電壓降低時(shí)，為了保證邏輯電平的正確識(shí)別，MOSFET的閾值電壓相對(duì)于電源電壓的比例變得更為重要。此外，低電源電壓工作（如低功耗設(shè)計(jì)）通常要求MOSFET具有較低的閾值電壓以減少靜態(tài)功耗。

（4）機(jī)械應(yīng)力

• 在某些應(yīng)用場景中，如柔性電子或可穿戴設(shè)備，MOSFET可能會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的影響。這些應(yīng)力可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的變化，從而影響載流子的遷移率和溝道電阻，間接影響閾值電壓。因此，在設(shè)計(jì)這些特殊應(yīng)用時(shí)，需要特別考慮材料的機(jī)械穩(wěn)定性和應(yīng)力對(duì)閾值電壓的影響。

4. 設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為了獲得理想的閾值電壓，設(shè)計(jì)者和工程師需要在多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

• 精確控制摻雜濃度和分布 ：通過精確的摻雜工藝控制溝道區(qū)的摻雜濃度和分布，可以精確調(diào)整閾值電壓。
• 優(yōu)化柵氧化層 ：采用高質(zhì)量的柵氧化層材料和工藝，以減小厚度并降低泄漏電流，同時(shí)保持穩(wěn)定的閾值電壓。
• 考慮短溝道效應(yīng) ：在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下，需要采用特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)（如多柵結(jié)構(gòu)、應(yīng)變工程等）來減輕短溝道效應(yīng)對(duì)閾值電壓的影響。
• 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì) ：針對(duì)特定的應(yīng)用環(huán)境（如高溫、輻射環(huán)境），設(shè)計(jì)具有更好環(huán)境適應(yīng)性的MOSFET結(jié)構(gòu)，以減少外部環(huán)境對(duì)閾值電壓的干擾。

5. 未來發(fā)展趨勢

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，MOSFET的閾值電壓控制將變得更加精確和靈活。以下是一些未來可能的發(fā)展趨勢：

• 新材料的應(yīng)用 ：新型材料（如二維材料、高遷移率溝道材料）的引入可能帶來更低的閾值電壓和更高的性能。
• 三維集成技術(shù) ：三維集成技術(shù)（如TSV）可能通過改變器件之間的互連方式，進(jìn)一步降低功耗并提高性能，從而對(duì)閾值電壓的優(yōu)化提出新的要求。
• 自適應(yīng)閾值電壓技術(shù) ：隨著智能電路和系統(tǒng)的發(fā)展，自適應(yīng)閾值電壓技術(shù)可能成為未來的研究方向。這種技術(shù)可以根據(jù)電路的工作狀態(tài)和外部環(huán)境自動(dòng)調(diào)整閾值電壓，以實(shí)現(xiàn)更低的功耗和更高的性能。

總之，MOSFET的閾值電壓是一個(gè)復(fù)雜而重要的參數(shù)，它受到多種因素的共同影響。通過精確控制工藝參數(shù)、優(yōu)化物理設(shè)計(jì)以及考慮外部環(huán)境因素，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閾值電壓的精確控制和優(yōu)化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信未來的MOSFET將具有更低的閾值電壓、更高的性能和更好的環(huán)境適應(yīng)性。這將為電子設(shè)備的性能提升、功耗降低以及新應(yīng)用的開發(fā)提供強(qiáng)有力的支持。