Próg napięcia - Threshold voltage

Wynik symulacji tworzenia kanału inwersji (gęstości elektronowej) i osiągnięcia napięcia progowego (IV) w nanoprzewodowym tranzystorze MOSFET. Zauważ, że napięcie progowe dla tego urządzenia wynosi około 0,45 V.

Próg napięcia , często w skrócie V _th , z tranzystora polowego (FET) jest minimalna bramka-źródło napięcia V _{GS (TH)} , które jest potrzebne, aby stworzyć przewodzącą ścieżkę pomiędzy zaciski źródła i drenu. Jest to ważny czynnik skalowania pozwalający utrzymać sprawność energetyczną.

Odnosząc się do tranzystora polowego złącza (JFET), napięcie progowe jest często nazywane napięciem zaciskania . Jest to nieco mylące, ponieważ zaciskanie stosowane do tranzystora polowego z izolowaną bramką (IGFET) odnosi się do zaciskania kanałów, które prowadzi do zachowania nasycenia prądu przy wysokim obciążeniu prądem źródła, nawet jeśli prąd nigdy nie jest wyłączony. W przeciwieństwie do pinch off termin „ napięcie progowe” jest jednoznaczny i odnosi się do tej samej koncepcji w każdym tranzystorze polowym.

Podstawowe zasady

W n-kanałowych urządzeniach w trybie rozszerzonym kanał przewodzący nie występuje naturalnie w tranzystorze, a do jego wytworzenia konieczne jest dodatnie napięcie między bramką a źródłem. Dodatnie napięcie przyciąga swobodnie pływające elektrony w ciele w kierunku bramki, tworząc kanał przewodzący. Ale najpierw musi zostać przyciągnięta wystarczająca ilość elektronów w pobliżu bramki, aby przeciwdziałać jonom domieszkującym dodanym do ciała FET; tworzy to region bez nośników ruchomych zwany regionem zubożenia , a napięcie, przy którym to następuje, jest napięciem progowym FET. Dalszy wzrost napięcia od bramki do źródła przyciągnie do bramki jeszcze więcej elektronów, które są w stanie stworzyć kanał przewodzący od źródła do drenu; proces ten nazywa się inwersją . Odwrotna sytuacja ma miejsce w przypadku tranzystora MOS w trybie p-kanałowym. Gdy VGS = 0 urządzenie jest wyłączone, a kanał jest otwarty/nie przewodzi. Zastosowanie ujemnego (-ve) napięcia bramki do tranzystora MOSFET typu p w „trybie ulepszeń” poprawia przewodność kanałów, włączając go.

W przeciwieństwie do tego, n-kanałowe urządzenia pracujące w trybie wyczerpywania mają kanał przewodzący naturalnie występujący w tranzystorze. W związku z tym termin „ napięcie progowe” nie odnosi się łatwo do włączania takich urządzeń, lecz jest używany zamiast tego do oznaczenia poziomu napięcia, przy którym kanał jest wystarczająco szeroki, aby umożliwić swobodny przepływ elektronów. Ten próg łatwości przepływu dotyczy również urządzeń z trybem wyczerpania kanału p , w których ujemne napięcie między bramką a korpusem/źródłem tworzy warstwę zubożoną, odpychając dodatnio naładowane otwory od interfejsu bramka-izolator/półprzewodnik, pozostawiając odsłonił wolny od nośników obszar nieruchomych, ujemnie naładowanych jonów akceptorowych.

W przypadku n-kanałowego tranzystora MOS, ujemne napięcie bramka-źródło, -VGS zuboży (stąd jego nazwa) kanał przewodzący jego wolnych elektronów, wyłączając tranzystor. Podobnie w przypadku tranzystora MOS z kanałem p „tryb wyczerpania” dodatnie napięcie źródła bramki, +VGS zuboży kanał jego wolnych otworów, wyłączając go.

W tranzystorach szerokoplanarnych napięcie progowe jest zasadniczo niezależne od napięcia dren-źródło i dlatego jest dobrze zdefiniowaną charakterystyką, jednak jest mniej jasne w nowoczesnych tranzystorach MOSFET o rozmiarach nanometrów ze względu na obniżanie bariery indukowane drenem .

Region zubożenia nMOSFET w trybie wzmocnionym spolaryzowanym poniżej progu

Region zubożenia nMOSFET w trybie wzmocnienia przesuniętym powyżej progu z utworzonym kanałem

Na rysunkach źródło (lewa strona) i dren (prawa strona) są oznaczone jako n+, aby wskazać silnie domieszkowane (niebieskie) n-regiony. Domieszka warstwy zubożonej jest oznaczona jako N _A ^−, aby wskazać, że jony w (różowej) warstwie zubożonej są naładowane ujemnie i jest bardzo mało dziur. W (czerwonej) masie liczba otworów p = N _A, co powoduje, że ładunek masowy jest neutralny.

Jeśli napięcie bramki jest poniżej napięcia progowego (rysunek po lewej), tranzystor „w trybie rozszerzonym” jest wyłączany i w idealnym przypadku nie ma prądu od drenu do źródła tranzystora. W rzeczywistości istnieje prąd nawet dla polaryzacji bramki poniżej wartości progowej ( upływu podprogowego ), chociaż jest on mały i zmienia się wykładniczo wraz z polaryzacją bramki.

Jeśli napięcie bramki jest powyżej napięcia progowego (rysunek po prawej), tranzystor „w trybie wzmocnionym” jest włączony, ponieważ w kanale na granicy tlenek-krzem znajduje się wiele elektronów, tworząc kanał o niskiej rezystancji, w którym ładunek może przepływ od drenu do źródła. W przypadku napięć znacznie powyżej progu sytuacja ta nazywana jest silną inwersją. Kanał zwęża się, gdy V _D > 0, ponieważ spadek napięcia spowodowany prądem w kanale rezystancyjnym zmniejsza pole tlenkowe podtrzymujące kanał w miarę zbliżania się do drenu.

Efekt ciała

Efekt ciała to zmiana napięcia progowego o wartość w przybliżeniu równą zmianie napięcia zbiorczego źródła , ponieważ ciało wpływa na napięcie progowe (gdy nie jest związane ze źródłem). Można ją traktować jako drugą bramę i czasami nazywa się ją tylną bramą , a zatem efekt ciała jest czasami nazywany efektem tylnej bramy . ${\ Displaystyle V_ {SB}}$

W przypadku tranzystora MOSFET nMOS w trybie wzmocnionym, wpływ ciała na napięcie progowe jest obliczany zgodnie z modelem Shichmana-Hodgesa, który jest dokładny dla starszych węzłów procesowych, przy użyciu następującego równania:

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

gdzie jest napięcie progowe, gdy występuje polaryzacja podłoża, jest polaryzacją podłoża od źródła do ciała, jest potencjałem powierzchniowym i jest napięciem progowym dla zerowego odchylenia podłoża, jest parametrem efektu ciała, jest grubością tlenku, jest przenikalnością tlenku , jest przenikalność krzemu jest stężeniem domieszkującym, jest ładunkiem elementarnym . ${\ Displaystyle V_ {TN}}$${\ Displaystyle V_ {SB}}$${\ Displaystyle 2 \ phi _ {F}}$${\ Displaystyle V_ {TO}}$${\ Displaystyle \ gamma = \ lewo (t_ {ox} / \ epsilon _ {ox} \ prawo) {\ sqrt {2q \ epsilon _ {\ tekst {Si}} N_ {A}}}}$${\displaystyle t_{ox}}$${\ Displaystyle \ epsilon _ {ox}}$${\ Displaystyle \ epsilon _ {\ tekst {Si}}}$${\ Displaystyle N_ {A}}$${\displaystyle q}$

Zależność od grubości tlenku

W danym węźle technologicznym, takim jak proces 90-nm CMOS, napięcie progowe zależy od wyboru tlenku i grubości tlenku . Używając powyższych wzorów ciała, jest wprost proporcjonalny do , i , który jest parametrem grubości tlenku. ${\ Displaystyle V_ {TN}}$${\ Displaystyle \ gamma}$${\displaystyle t_{OX}}$

Zatem im cieńsza grubość tlenku, tym niższe napięcie progowe. Chociaż może się to wydawać ulepszeniem, nie jest to pozbawione kosztów; ponieważ im cieńsza grubość tlenku, tym wyższy będzie podprogowy prąd upływu przez urządzenie. W konsekwencji specyfikacja projektowa dla grubości tlenku bramki 90 nm została ustawiona na 1 nm, aby kontrolować prąd upływu. Ten rodzaj tunelowania, zwany tunelowaniem Fowlera-Nordheima.

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

gdzie i są stałymi i jest polem elektrycznym w tlenku bramki. ${\displaystyle C_{1}}$${\displaystyle E_{0}}$${\ Displaystyle E_ {ox}}$

Przed skalowaniem cech konstrukcyjnych do 90 nm, powszechnym rozwiązaniem tego problemu było dwutlenkowe podejście do tworzenia grubości tlenku. W przypadku technologii procesu 90 nm, w niektórych przypadkach przyjęto podejście z trzema tlenkami. Jeden standardowy cienki tlenek jest używany dla większości tranzystorów, inny dla komórek sterownika I/O, a trzeci dla komórek tranzystorowych z pamięcią i przepustem. Różnice te opierają się wyłącznie na charakterystyce grubości tlenku przy napięciu progowym technologii CMOS.

Zależność od temperatury

Podobnie jak w przypadku grubości tlenku wpływającej na napięcie progowe, temperatura ma wpływ na napięcie progowe urządzenia CMOS. Rozszerzenie części równania w sekcji dotyczącej efektów na ciało

${\ Displaystyle \ phi _ {F} = \ po lewej ({\ Frac {kT} {q}} \ po prawej) \ ln {\ po lewej ({\ Frac {N_ {A}} {n_ {i}}} \ po prawej )}}$

gdzie jest połowa potencjału kontaktowego, jest stałą Boltzmanna , jest temperaturą, jest ładunkiem elementarnym , jest parametrem domieszkowania i jest samoistnym parametrem domieszkowania podłoża. ${\ Displaystyle \ _ {F}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle T}$${\displaystyle q}$${\ Displaystyle N_ {A}}$${\displaystyle n_{i}}$

Widzimy, że potencjał powierzchniowy ma bezpośredni związek z temperaturą. Patrząc powyżej, napięcie progowe nie ma bezpośredniego związku, ale nie jest niezależne od skutków. Ta zmienność wynosi zazwyczaj od -4 mV/K do -2 mV/K w zależności od poziomu domieszkowania. Dla zmiany o 30 °C powoduje to znaczne odchylenie od parametru projektowego 500 mV powszechnie stosowanego w węźle technologicznym 90 nm.

Zależność od losowej fluktuacji domieszek

Losowa fluktuacja domieszek (RDF) jest formą zmienności procesu wynikającej ze zmienności stężenia wszczepionego domieszki . W tranzystorach MOSFET, RDF w obszarze kanału może zmieniać właściwości tranzystora, zwłaszcza napięcie progowe. W nowszych technologiach procesowych RDF ma większy wpływ, ponieważ całkowita liczba domieszek jest mniejsza.

Prowadzone są prace badawcze mające na celu stłumienie fluktuacji domieszki, która prowadzi do zmiany napięcia progowego pomiędzy urządzeniami poddanymi temu samemu procesowi produkcyjnemu.

Zobacz też

• Operacja MOSFET
• Modulacja długości kanału

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Wykład online na temat: Napięcie progowe i pojemności MOSFET autorstwa dr Lundstroma