MOSFET閾值電壓是什么？影響MOSFET閾值電壓的因素有哪些？

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）是現(xiàn)代電子學中極為重要的器件之一，廣泛應用于集成電路、電源管理、信號處理等多個領域。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盡可能詳盡地闡述這些內容。

一、MOSFET閾值電壓的定義

MOSFET的閾值電壓是指使MOSFET從截止狀態(tài)（即溝道不導電）轉變?yōu)閷顟B(tài)（即溝道開始導電）所需的最小柵極-源極電壓（VGS）。在這個電壓點，溝道中的載流子濃度足夠高，以至于能夠形成連續(xù)的導電通道，允許電流在源極和漏極之間流動。閾值電壓是MOSFET的關鍵參數(shù)之一，它不僅決定了器件的開關特性，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，有的廠家會固定漏極電壓，掃描柵源電壓，當漏極電流達到某一值時提取Vth。針對這種測試可以使用easyexpert軟件中application test下已經(jīng)內置的測試案例完成。

但是有的客戶需要同時對VGS和VDS進行sweep，相當于VGS=VDS，然后觀察特定Id下的vth的值，這也是非常簡單，只需要在上面的應用中將測試模式改為Vgsoff就可以了。

對于小功率mosfet，提取Vth的方法是采用最大跨導法，也可以直接調用easyexpert軟件中CMOS案例下的VthgmMax應用來測試。

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電溝道，因此閾值電壓會上升。反之，對于P型MOSFET，溝道區(qū)為N型摻雜，摻雜濃度增加會導致閾值電壓下降。

（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，因此閾值電壓會增大。隨著半導體工藝技術的進步，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)（即電子從金屬轉移到半導體所需的最小能量）也會影響閾值電壓。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，形成導電溝道，因此會導致閾值電壓的變化。

（4）制造工藝中的應力

• 制造過程中的機械或熱應力可能會影響晶體管的晶格結構和材料特性，進而改變閾值電壓。例如，溝道區(qū)的應變可能會改變載流子的有效質量和遷移率，從而影響閾值電壓。

2. 物理效應

（1）短溝道效應

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

（2）量子效應

• 在極小的MOSFET結構中，量子效應開始顯現(xiàn)，如量子隧穿、量子化能級等。這些效應會改變載流子的輸運特性，影響閾值電壓的精確計算和控制。

（3）體效應（也稱背柵效應）

• 體效應是指源極、漏極和體（或襯底）之間的相互作用對閾值電壓的影響。當體電位改變時，溝道中的電荷分布會發(fā)生變化，從而影響閾值電壓。這種效應在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，溫度升高會導致閾值電壓降低，但具體變化還受其他因素如摻雜濃度、氧化層質量等的影響。

（2）輻射

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

（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)間接地對閾值電壓的感知產(chǎn)生影響。在數(shù)字電路中，當電源電壓降低時，為了保證邏輯電平的正確識別，MOSFET的閾值電壓相對于電源電壓的比例變得更為重要。此外，低電源電壓工作（如低功耗設計）通常要求MOSFET具有較低的閾值電壓以減少靜態(tài)功耗。

（4）機械應力

• 在某些應用場景中，如柔性電子或可穿戴設備，MOSFET可能會受到機械應力的影響。這些應力可能導致晶體結構的變化，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，在設計這些特殊應用時，需要特別考慮材料的機械穩(wěn)定性和應力對閾值電壓的影響。

4. 設計與優(yōu)化

為了獲得理想的閾值電壓，設計者和工程師需要在多個方面進行優(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，可以精確調整閾值電壓。
• 優(yōu)化柵氧化層 ：采用高質量的柵氧化層材料和工藝，以減小厚度并降低泄漏電流，同時保持穩(wěn)定的閾值電壓。
• 考慮短溝道效應 ：在先進工藝節(jié)點下，需要采用特殊的設計技術（如多柵結構、應變工程等）來減輕短溝道效應對閾值電壓的影響。
• 環(huán)境適應性設計 ：針對特定的應用環(huán)境（如高溫、輻射環(huán)境），設計具有更好環(huán)境適應性的MOSFET結構，以減少外部環(huán)境對閾值電壓的干擾。

5. 未來發(fā)展趨勢

隨著半導體技術的不斷進步，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 ：三維集成技術（如TSV）可能通過改變器件之間的互連方式，進一步降低功耗并提高性能，從而對閾值電壓的優(yōu)化提出新的要求。
• 自適應閾值電壓技術 ：隨著智能電路和系統(tǒng)的發(fā)展，自適應閾值電壓技術可能成為未來的研究方向。這種技術可以根據(jù)電路的工作狀態(tài)和外部環(huán)境自動調整閾值電壓，以實現(xiàn)更低的功耗和更高的性能。

總之，MOSFET的閾值電壓是一個復雜而重要的參數(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)化物理設計以及考慮外部環(huán)境因素，可以實現(xiàn)對閾值電壓的精確控制和優(yōu)化。隨著半導體技術的不斷發(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)境適應性。這將為電子設備的性能提升、功耗降低以及新應用的開發(fā)提供強有力的支持。