[正向]閾值電壓

《電氣工程名詞》。 2100433B

1998年，經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布。

如MOS管，當器件由耗盡向反型轉(zhuǎn)變時，要經(jīng)歷一個 Si 表面電子濃度等于空穴濃度的狀態(tài)。此時器 件處于臨界導通狀態(tài)，器件的柵電壓定義為閾值電壓，它是MOSFET的重要參數(shù)之一 。MOS管的閾值電壓等于背柵（backgate）和源極（source）接在一起時形成溝道（channel）需要的柵極（gate）對source偏置電壓。如果柵極對源極偏置電壓小于閾值電壓，就沒有溝道（channel）。

一個特定的晶體管的閾值電壓和很多因素有關，包括backgate的摻雜，電介質(zhì)的厚度，柵極材質(zhì)和電介質(zhì)中的過剩電荷。

閾值電壓背柵的摻雜

背柵（backgate）的摻雜是決定閾值電壓的主要因素。如果背柵摻雜越重，它就越難反轉(zhuǎn)。要反轉(zhuǎn)就要更強的電場，閾值電壓就上升了。MOS管的背柵摻雜能通過在介電層表面下的稍微的implant來調(diào)整。這種implant被叫做閾值調(diào)整implant（或Vt調(diào)整implant）。考慮一下Vt調(diào)整implant對NMOS管的影響。如果implant是由受主組成的，那么硅表面就更難反轉(zhuǎn)，閾值電壓也升高了。如果implant是由施主組成的，那么硅表面更容易反轉(zhuǎn)，閾值電壓下降。如果注入的donors夠多，硅表面實際上就反向摻雜了。這樣，在零偏置下就有了一薄層N型硅來形成永久的溝道（channel）。隨著柵極偏置電壓的上升，溝道變得越來越強的反轉(zhuǎn)。隨著柵極偏置電壓的下降，溝道變的越來越弱，最后消失了。這種NMOS管的閾值電壓實際上是負的。這樣的晶體管稱為耗盡模式NMOS，或簡單的叫做耗盡型NMOS。相反，一個有正閾值電壓的的NMOS叫做增強模式NMOS，或增強型NMOS。絕大多數(shù)商業(yè)化生產(chǎn)的MOS管是增強型器件，但也有一些應用場合需要耗盡型器件。耗盡型PMOS也能被生產(chǎn)出來。這樣的器件的閾值電壓是正的。耗盡型的器件應該盡量的被明確的標識出來。不能靠閾值電壓的正負符號來判斷，因為通常許多工程師忽略閾值電壓的極性。因此，應該說“閾值電壓為0.7V的耗盡型PMOS”而不是閾值電壓為0.7V的PMOS。很多工程師會把后者解釋為閾值電壓為-0.7V的增強型PMOS而不是閾值電壓為 0.7V的耗盡型PMOS。明白無誤的指出是耗盡型器件可以省掉很多誤會的可能性。

閾值電壓電介質(zhì)

電介質(zhì)在決定閾值電壓方面也起了重要作用。厚電介質(zhì)由于比較厚而削弱了電場。所以厚電介質(zhì)使閾值電壓上升，而薄電介質(zhì)使閾值電壓下降。理論上，電介質(zhì)成分也會影響電場強度。而實際上，幾乎所有的MOS管都用純二氧化硅作為gate dielectric。這種物質(zhì)可以以極純的純度和均勻性生長成非常薄的薄膜；其他物質(zhì)跟它都不能相提并論。因此其他電介質(zhì)物質(zhì)只有很少的應用。（也有用高介電常數(shù)的物質(zhì)比如氮化硅作為gate dielectric的器件。有些作者把所有的MOS類晶體管，包括非氧化物電介質(zhì)，稱為insulated-gate field effect transistor（IGFET））

閾值電壓柵極的物質(zhì)成分

柵極（gate）的物質(zhì)成分對閾值電壓也有所影響。如上所述，當GATE和BACKGATE短接時，電場就施加在gate oxide上。這主要是因為GATE和BACKGATE物質(zhì)之間的work function差值造成的。大多數(shù)實際應用的晶體管都用重摻雜的多晶硅作為gate極。改變多晶硅的摻雜程度就能控制它的work function。

閾值電壓介電層與柵極界面上過剩的電荷

GATE OXIDE或氧化物和硅表面之間界面上過剩的電荷也可能影響閾值電壓。這些電荷中可能有離子化的雜質(zhì)原子，捕獲的載流子，或結構缺陷。電介質(zhì)或它表面捕獲的電荷會影響電場并進一步影響閾值電壓。如果被捕獲的電子隨著時間，溫度或偏置電壓而變化，那么閾值電壓也會跟著變化。2100433B

一般情況下，正向電壓1V左右就可以“擊穿”二極管，此時稱為正向擊穿，不過我們稱之為不導通。工作于正向偏置的PN結，當通過的電流過大時，將會使它的功率損耗過大而燒壞，但由于正向偏置的PN結兩端電壓很低(鍺PN結約為0.2V左右，硅PN結約為0.7V左右)，故當加在PN結兩端的正向電壓過大時會使PN結發(fā)生擊穿，稱為正向擊穿。而工作于反向偏置的PN結，當反偏電壓過高時，將會使PN結擊穿，如擊穿后又未限制流過它的反向擊穿電流，將會使擊穿成為永久性的、不可逆的擊穿，從而造成其徹底損壞。