Kynnysjännite - Threshold voltage

Simulaatiotulos käänteiskanavan (elektronitiheys) muodostumiselle ja kynnysjännitteen (IV) saavuttamiselle nanojohdossa MOSFET. Huomaa, että tämän laitteen kynnysjännite on noin 0,45 V.

Kynnysjännite , yleisesti lyhennettä V _th , on kanavatransistori (FET) on pienin hila-lähdejännite V _{GS (th)} , joka on tarpeen luoda johtavan reitin välillä lähteen ja nielun terminaalit. Se on tärkeä skaalaustekijä energiatehokkuuden ylläpitämiseksi.

Kun viitataan risteyskenttävaikutransistoriin (JFET), kynnysjännitettä kutsutaan usein sen sijaan puristusjännitteeksi . Tämä on hieman harhaanjohtava, sillä umpeenpuristumisen soveltaa eristettyjä-gate field-effect transistor (IGFET) viittaa kanavan venytetään joka johtaa nykyisen kylläisyyttä käyttäytyminen kovassa lähde-nieluesijännite, vaikka virta on koskaan pois. Toisin kuin puristus , termi kynnysjännite on yksiselitteinen ja viittaa samaan käsitykseen missä tahansa kenttävaikutustransistorissa.

Perusperiaatteet

In n-kanava lisälaite-tilassa laitteet, johtavaa kanavaa ei ole luonnollisesti sisällä transistori, ja positiivinen hila-lähdejännite on tarpeen luoda yksi tällainen. Positiivinen jännite houkuttelee vapaasti kelluvia elektroneja kehossa porttia kohti muodostaen johtavan kanavan. Ensin on kuitenkin vedettävä tarpeeksi elektroneja portin lähelle vastustamaan FET -runkoon lisättyjä lisäaine -ioneja; tämä muodostaa alueen, jossa ei ole matkapuhelinoperaattoreita, jota kutsutaan tyhjennysalueeksi , ja jännite, jolla tämä tapahtuu, on FET: n kynnysjännite . Jännitteen lisäys portista lähteeseen houkuttelee vielä enemmän elektroneja kohti porttia, jotka pystyvät luomaan johtavan kanavan lähteestä viemäriin; tätä prosessia kutsutaan käänteiseksi . Päinvastainen pätee p-kanavan "parannustilan" MOS-transistoriin. Kun VGS = 0, laite on “OFF” ja kanava on auki / johtamaton. Negatiivisen (-ve) porttijännitteen käyttäminen p-tyypin "parannustilan" MOSFETiin parantaa kanavien johtavuutta kääntämällä sen "PÄÄLLE".

Sitä vastoin n-kanavan ehtymistilan laitteissa on johtava kanava, joka on luonnollisesti olemassa transistorissa. Niinpä termi kynnysjännite ei helposti soveltaa kääntämällä tällaisia laitteita, mutta sen sijaan käytetään tarkoittamaan jännitetaso, jolla kanava on riittävän leveä, jotta elektronit virrata helposti. Tämä virtauksen helppokynnys koskee myös p-kanavaisia tyhjennysmoodilaitteita , joissa negatiivinen jännite portista runkoon/lähteeseen luo tyhjennyskerroksen pakottamalla positiivisesti varautuneet reiät pois portin eristimen/puolijohderajapinnasta. paljasti kantoaineettoman alueen liikkumattomia, negatiivisesti varautuneita vastaanottajaioneja.

N-kanavaisen ehtymän MOS-transistorin negatiivinen portti-lähdejännite, -VGS, tyhjentää (tästä syystä sen nimen) sen vapaiden elektronien johtavan kanavan, joka kytkee transistorin pois päältä. Samoin p-kanavan "ehtymistilan" MOS-transistorin positiivinen porttilähdejännite, +VGS tyhjentää kanavan vapaista aukoistaan kääntämällä sen "POIS".

Leveissä tasotransistoreissa kynnysjännite on olennaisesti riippumaton tyhjennyslähdejännitteestä, ja siksi se on hyvin määritelty ominaisuus, mutta nykyaikaisissa nanometrikokoisissa MOSFET-laitteissa se on vähemmän selvä tyhjennyksen aiheuttaman esteen laskun vuoksi .

Parannusmoodin nMOSFET tyhjennysalue esijännitetyn kynnyksen alapuolelle

Parannusmoodin nMOSFET tyhjennysalue esijännitetty kynnyksen yläpuolelle kanavan ollessa muodostettu

Kuvissa lähde (vasen puoli) ja tyhjennys (oikea puoli) on merkitty n+ merkitsemällä voimakkaasti seostettuja (sinisiä) n-alueita. Vähennyskerroksen lisäaine on merkitty N _A^- osoittaakseen, että (vaaleanpunaisessa) ehtymiskerroksessa olevat ionit ovat negatiivisesti varautuneita ja reikiä on hyvin vähän. (Punaisessa) irtotavarana reikien lukumäärä p = N _{A, joka} tekee irtotavaran neutraaliksi.

Jos hilajännite on kynnysjännitteen alapuolella (vasen kuva), "parannustilan" transistori kytketään pois päältä ja ihannetapauksessa ei ole virtaa tyhjennyksestä transistorin lähteeseen. Itse asiassa on olemassa virta jopa portin esijännityksille, jotka ovat alle kynnysvirran ( alikynnyksen vuotovirta ), vaikka se on pieni ja vaihtelee eksponentiaalisesti portin esijännityksen mukaan.

Jos portin jännite on kynnysjännitteen yläpuolella (oikea kuva), "parannustilan" transistori kytketään päälle, koska oksidi-pii-rajapinnassa olevassa kanavassa on paljon elektroneja, mikä luo matalan vastuksen kanavan, jossa varaus voi virtaus viemäristä lähteeseen. Jännitteille, jotka ovat huomattavasti kynnyksen yläpuolella, tätä tilannetta kutsutaan voimakkaaksi inversioksi. Kanava on kapeneva, kun V _D > 0, koska resistiivisen kanavan virrasta johtuva jännitehäviö vähentää kanavaa tukevaa oksidikenttää viemärin lähestyessä.

Kehon vaikutus

Kehon vaikutus on muutos kynnysjännitteen määrällä suunnilleen yhtä suuri muutoksen lähde-irtotavarana jännite, koska kehon vaikuttaa kynnysjännitteen (kun se ei ole sidottu lähde). Sitä voidaan pitää toisena porttina, ja sitä kutsutaan joskus takaportiksi , ja vastaavasti kehon vaikutusta kutsutaan joskus takaportin vaikutukseksi . ${\ displaystyle V_ {SB}}$

Parannusmoodin nMOS MOSFET tapauksessa kehon vaikutus kynnysjännitteeseen lasketaan Shichman-Hodges-mallin mukaan, joka on tarkka vanhemmille prosessisolmuille, käyttämällä seuraavaa yhtälöä:

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

missä on kynnysjännite, kun substraatin esijännite on läsnä, on lähteen ja rungon välinen esijännitys, on pintapotentiaali ja on kynnysjännite nolla substraatin esijännitystä, on kehon vaikutusparametri, on oksidin paksuus, on oksidin läpäisevyys , on piin läpäisevyys, dopingpitoisuus, on alkuvaraus . ${\ displaystyle V_ {TN}}$ ${\ displaystyle V_ {SB}}$ ${\ displaystyle 2 \ phi _ {F}}$ ${\ displaystyle V_ {TO}}$ ${\ displaystyle \ gamma = \ left (t_ {ox}/\ epsilon _ {ox} \ right) {\ sqrt {2q \ epsilon _ {\ text {Si}} N_ {A}}}}$ ${\ displaystyle t_ {ox}}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {ox}}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {Si}}}$ ${\ displaystyle N_ {A}}$ ${\ displaystyle q}$

Riippuu oksidin paksuudesta

Tietyssä teknologiasolmussa, kuten 90 nm: n CMOS-prosessissa, kynnysjännite riippuu oksidin valinnasta ja oksidin paksuudesta . Käyttäen kehon kaavoissa, on suoraan verrannollinen , ja , mikä on parametri oksidin paksuuden. ${\ displaystyle V_ {TN}}$ ${\ displaystyle \ gamma}$ ${\ displaystyle t_ {OX}}$

Siten mitä ohuempi oksidipaksuus, sitä pienempi kynnysjännite. Vaikka tämä saattaa tuntua parannukselta, se ei ole maksuton; koska mitä ohuempi oksidipaksuus on, sitä suurempi on alikynnyksen vuotovirta laitteen läpi. Näin ollen 90 nm: n porttioksidin paksuuden suunnittelumäärittelyksi asetettiin 1 nm vuotovirran säätämiseksi. Tällainen tunnelointi, nimeltään Fowler-Nordheim-tunnelointi.

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

missä ja ovat vakioita ja on sähkökenttä portin oksidin poikki. ${\ displaystyle C_ {1}}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ ${\ displaystyle E_ {ox}}$

Ennen suunnitteluominaisuuksien skaalaamista 90 nm: iin kaksoisoksidimenetelmä oksidipaksuuden luomiseksi oli yleinen ratkaisu tähän ongelmaan. 90 nm: n prosessitekniikalla on joissakin tapauksissa käytetty kolmoisoksidimenetelmää. Yhtä tavallista ohutta oksidia käytetään useimpiin transistoreihin, toista I/O-ohjainkennoihin ja kolmatta muistin ja passin transistorisoluihin. Nämä erot perustuvat puhtaasti CMOS -tekniikan kynnysjännitteen oksidipaksuuden ominaisuuksiin.

Lämpötilan riippuvuus

Kuten kynnysjännitteeseen vaikuttavan oksidipaksuuden tapauksessa, lämpötila vaikuttaa CMOS -laitteen kynnysjännitteeseen. Laajentaminen osaan yhtälöstä kehon vaikutus -osiossa

{\ displaystyle \ phi _ {F} = \ vasen ({\ frac {kT} {q}} \ oikea) \ ln {\ vasen ({\ frac {N_ {A}} {n_ {i}}} \ oikea )}}

jossa on puoli kontakti potentiaali, on Boltzmannin vakio , on lämpötila, on alkeisvaraus , on doping parametri ja on luontainen doping parametri alustaan. ${\ displaystyle \ phi _ {F}}$ ${\ displaystyle k}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle q}$ ${\ displaystyle N_ {A}}$ ${\ displaystyle n_ {i}}$

Näemme, että pinnan potentiaalilla on suora yhteys lämpötilaan. Edellä katsottuna kynnysjännitteellä ei ole suoraa yhteyttä, mutta se ei ole riippumaton vaikutuksista. Tämä vaihtelu on tyypillisesti välillä -4 mV/K ja -2 mV/K riippuen dopingtasosta. Jos lämpötila muuttuu 30 ° C, tämä johtaa merkittävään vaihteluun 500 mV: n suunnitteluparametrista, jota käytetään yleisesti 90 nm: n teknologiasolmussa.

Riippuvuus satunnaisista lisäaineiden vaihteluista

Satunnainen lisäaineen vaihtelu (RDF) on prosessin vaihtelun muoto, joka johtuu implantoidun epäpuhtauspitoisuuden vaihtelusta. MOSFET -transistoreissa kanava -alueen RDF voi muuttaa transistorin ominaisuuksia, erityisesti kynnysjännitettä. Uudemmissa prosessitekniikoissa RDF: llä on suurempi vaikutus, koska lisäaineiden kokonaismäärä on pienempi.

Tutkimuksia tehdään lisäaineiden vaihtelun estämiseksi, mikä johtaa kynnysjännitteen vaihteluun saman valmistusprosessin kohteena olevien laitteiden välillä.

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit

Online luento: Threshold Jännite ja MOSFET kapasitanssit Dr. Lundström

Languages

In other projects