Пороговое напряжение , сокращенно V - го , из полевого транзистора (FET) является минимальным затвор-исток V GS (й) , что необходимо для создания проводящего пути между выводами истока и стока. Это важный коэффициент масштабирования для поддержания энергоэффективности.
Когда речь идет о соединительном полевом транзисторе (JFET), пороговое напряжение часто называют напряжением отсечки . [1] [2] Это несколько сбивает с толку, поскольку отсечка, применяемая к полевому транзистору с изолированным затвором (IGFET), относится к защемлению канала, которое приводит к поведению насыщения тока при высоком смещении исток – сток, даже если ток никогда не отключен. . В отличие от отсечки , термин пороговое напряжение однозначен и относится к той же концепции в любом полевом транзисторе.
Основные принципы
В n-канальных устройствах с улучшенным режимом проводящий канал не существует естественным образом внутри транзистора, и для его создания необходимо положительное напряжение затвор-исток. Положительное напряжение притягивает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала необходимо привлечь достаточное количество электронов возле затвора, чтобы противодействовать ионам легирующей примеси, добавленным к корпусу полевого транзистора; это формирует область без мобильных носителей, называемую областью истощения , а напряжение, при котором это происходит, является пороговым напряжением полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения затвор-исток привлечет к затвору еще больше электронов, которые могут создать токопроводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется инверсией . Обратное верно для p-канального МОП-транзистора «улучшенного режима». Когда VGS = 0, устройство выключено и канал открыт / непроводящий. Приложение отрицательного (-ve) напряжения затвора к полевому МОП-транзистору p-типа «улучшенного режима» увеличивает проводимость каналов, переводя его в состояние «ВКЛ».
Напротив, устройства с n-канальным режимом обеднения имеют токопроводящий канал, естественным образом существующий внутри транзистора. Соответственно, термин пороговое напряжение не всегда применяется к включению таких устройств, но вместо этого используется для обозначения уровня напряжения, при котором канал достаточно широк, чтобы позволить электронам свободно течь. Этот порог легкости потока также применяется к устройствам с режимом истощения p-канала , в которых отрицательное напряжение от затвора к телу / источнику создает обедненный слой, отталкивая положительно заряженные дырки от границы раздела затвор-изолятор / полупроводник, оставляя обнажила свободную от носителей область неподвижных отрицательно заряженных акцепторных ионов.
Для n-канального обедненного МОП-транзистора отрицательное напряжение затвор-исток, -VGS будет истощать (отсюда и его название) проводящий канал своими свободными электронами, переключая транзистор в положение «ВЫКЛ». Точно так же для МОП-транзистора с p-каналом "обедненного режима" положительное напряжение затвор-исток, + VGS будет истощать канал своих свободных отверстий, переводя его в положение "ВЫКЛ".
В широких планарных транзисторах пороговое напряжение практически не зависит от напряжения сток-исток и, следовательно, является четко определенной характеристикой, однако в современных полевых МОП-транзисторах нанометрового размера оно менее четкое из -за снижения барьера, вызванного стоком .
На рисунках исток (левая сторона) и сток (правая сторона) помечены как n +, что указывает на сильно легированные (синие) n-области. Легирующая добавка обедненного слоя обозначена N A - чтобы указать, что ионы в (розовом) обедненном слое отрицательно заряжены и дырок очень мало. В (красном) объеме количество дырок p = N A, делающих объемный заряд нейтральным.
Если напряжение затвора ниже порогового напряжения (левый рисунок), транзистор "улучшенного режима" выключен, и в идеале нет тока от стока к истоку транзистора. Фактически, существует ток даже при смещении затвора ниже порогового ( допороговая утечка ) тока, хотя он невелик и экспоненциально изменяется с смещением затвора.
Если напряжение затвора выше порогового напряжения (правый рисунок), транзистор «улучшающего режима» включается из-за наличия большого количества электронов в канале на границе оксид-кремний, создавая канал с низким сопротивлением, в котором может происходить заряд. течь от слива к истоку. Для напряжений, значительно превышающих пороговое значение, такая ситуация называется сильной инверсией. Канал сужается, когда V D > 0, потому что падение напряжения из-за тока в резистивном канале уменьшает оксидное поле, поддерживающее канал, по мере приближения к стоку.
Эффект тела
Эффект тела - это изменение порогового напряжения на величину, примерно равную изменению напряжения в объеме источника,, потому что тело влияет на пороговое напряжение (когда оно не привязано к источнику). Его можно рассматривать как вторые ворота, и иногда его называют задними воротами , и, соответственно, эффект тела иногда называют эффектом задних ворот . [3]
Для полевого МОП-транзистора nMOS в режиме улучшения влияние тела на пороговое напряжение вычисляется в соответствии с моделью Шичмана-Ходжеса [4], которая является точной для более старых технологических узлов, [ требуется пояснение ] с использованием следующего уравнения:
где - пороговое напряжение при наличии смещения подложки, - смещение от источника к телу подложки, - поверхностный потенциал, а - пороговое напряжение для нулевого смещения подложки, - параметр эффекта тела, толщина оксида, диэлектрическая проницаемость оксида , диэлектрическая проницаемость кремния, - концентрация допинга, это элементарный заряд .
Зависимость от толщины оксида
В данном технологическом узле, таком как 90-нм CMOS-процесс, пороговое напряжение зависит от выбора оксида и толщины оксида . Используя приведенные выше формулы тела, прямо пропорциональна , а также , который является параметром толщины оксида.
Таким образом, чем меньше толщина оксида, тем ниже пороговое напряжение. Хотя это может показаться улучшением, оно не обходится без затрат; потому что чем меньше толщина оксида, тем выше будет подпороговый ток утечки через устройство. Следовательно, спецификация конструкции для толщины оксида затвора 90 нм была установлена на уровне 1 нм, чтобы контролировать ток утечки. [5] Этот вид туннелирования называется туннелированием Фаулера-Нордхейма. [6]
где а также константы и - электрическое поле через оксид затвора.
До масштабирования конструктивных элементов до 90 нм, подход с двумя оксидами для создания толщины оксида был обычным решением этой проблемы. При использовании техпроцесса 90 нм в некоторых случаях был принят подход с использованием трех оксидов. [7] Один стандартный тонкий оксид используется для большинства транзисторов, другой - для ячеек драйвера ввода-вывода, а третий - для транзисторных ячеек с памятью и пропусканием. Эти различия основаны исключительно на характеристиках толщины оксида на пороговом напряжении КМОП-технологий.
Температурная зависимость
Как и в случае, когда толщина оксида влияет на пороговое напряжение, температура влияет на пороговое напряжение КМОП-устройства. Расширение на части уравнения в эффекте тела раздела
где составляет половину контактного потенциала, - постоянная Больцмана , это температура, это элементарный заряд , - параметр допирования и - собственный параметр легирования подложки.
Мы видим, что поверхностный потенциал напрямую зависит от температуры. Как видно из вышеизложенного, пороговое напряжение не имеет прямого отношения, но не зависит от эффектов. Это изменение обычно составляет от -4 мВ / К до -2 мВ / К в зависимости от уровня легирования. [8] Для изменения 30 ° C это приводит к значительному отклонению от проектного параметра 500 мВ, обычно используемого для 90-нм технологического узла.
Зависимость от случайного колебания примеси
Случайная флуктуация примеси (RDF) - это форма изменения процесса, возникающая в результате изменения концентрации имплантированной примеси. В MOSFET-транзисторах RDF в области канала может изменять свойства транзистора, особенно пороговое напряжение. В более новых технологических процессах RDF имеет больший эффект, потому что общее количество легирующих добавок меньше. [9]
Проводятся исследовательские работы по подавлению флуктуации примеси, которая приводит к изменению порогового напряжения между устройствами, подвергающимися одинаковому производственному процессу. [10]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ "Переходный полевой транзистор (JFET)" (PDF) . Лекционные заметки ETEE3212 .
Это называется пороговым или отсечным напряжением и происходит при v GS = V GS (OFF) .
- ^ Sedra, Adel S .; Смит, Кеннет С. "5.11 ПЕРЕХОДНЫЙ ТРАНЗИСТОР ПОЛЕВОГО ЭФФЕКТА (JFET)" (PDF) . Микроэлектронные схемы .
Для JFETs порогового напряжения называется отсечкой напряжением и обозначается V P .
- ^ Марко Делауренти, докторская диссертация, методы проектирования и оптимизации высокоскоростных схем СБИС (1999)). Архивировано 10 ноября 2014 г. в Wayback Machine.
- ^ Отчет NanoDotTek NDT14-08-2007, 12 августа 2007 г.
- ^ Сугии, Ватанабэ и Сугатани. Конструкция транзисторов для поколений 90 нм и не только. (2002)
- ↑ SM Sze, Physics of Semiconductor Devices , Second Edition, New York: Wiley and Sons, 1981, pp. 496–504.
- ^ Анил Telikepalli, Xilinx Inc., соображения мощности в проектировании с 90 нм FPGAs (2005)) [1]
- ^ Вест и Эшрагиан, Принципы проектирования КМОП СБИС: системная перспектива , Второе издание, (1993), стр.48 ISBN 0-201-53376-6
- ^ Асенов, А. Хуанг, Случайное понижение порогового напряжения, вызванное добавкой, и флуктуации в полевых МОП-транзисторах с размером менее 0,1 мкм: исследование трехмерного «атомистического» моделирования , Электронные устройства, транзакции IEEE, 45, выпуск: 12
- ^ Асенов, А. Хуанг, Подавление случайных флуктуаций порогового напряжения, вызванных добавкой, в полевых МОП-транзисторах размером менее 0,1 мкм с эпитаксиальными и δ-легированными каналами , Электронные устройства, Транзакции IEEE, 46, Выпуск: 8
Внешние ссылки
- Онлайн-лекция доктора Лундстрема на тему: «Пороговое напряжение и емкость полевых МОП-транзисторов ».