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一个特定的晶体管的阈值电压和很多因素有关,包括backgate的掺杂,电介质的厚度,栅极材质和电介质中的过剩电荷。
背栅(backgate)的掺杂是决定阈值电压的主要因素。如果背栅掺杂越重,它就越难反转。要反转就要更强的电场,阈值电压就上升了。MOS管的背栅掺杂能通过在介电层表面下的稍微的implant来调整。这种implant被叫做阈值调整implant(或Vt调整implant)。考虑一下Vt调整implant对NMOS管的影响。如果implant是由受主组成的,那么硅表面就更难反转,阈值电压也升高了。如果implant是由施主组成的,那么硅表面更容易反转,阈值电压下降。如果注入的donors够多,硅表面实际上就反向掺杂了。这样,在零偏置下就有了一薄层N型硅来形成永久的沟道(channel)。随着栅极偏置电压的上升,沟道变得越来越强的反转。随着栅极偏置电压的下降,沟道变的越来越弱,最后消失了。这种NMOS管的阈值电压实际上是负的。这样的晶体管称为耗尽模式NMOS,或简单的叫做耗尽型NMOS。相反,一个有正阈值电压的的NMOS叫做增强模式NMOS,或增强型NMOS。绝大多数商业化生产的MOS管是增强型器件,但也有一些应用场合需要耗尽型器件。耗尽型PMOS也能被生产出来。这样的器件的阈值电压是正的。耗尽型的器件应该尽量的被明确的标识出来。不能靠阈值电压的正负符号来判断,因为通常许多工程师忽略阈值电压的极性。因此,应该说“阈值电压为0.7V的耗尽型PMOS”而不是阈值电压为0.7V的PMOS。很多工程师会把后者解释为阈值电压为-0.7V的增强型PMOS而不是阈值电压为 0.7V的耗尽型PMOS。明白无误的指出是耗尽型器件可以省掉很多误会的可能性。
电介质在决定阈值电压方面也起了重要作用。厚电介质由于比较厚而削弱了电场。所以厚电介质使阈值电压上升,而薄电介质使阈值电压下降。理论上,电介质成分也会影响电场强度。而实际上,几乎所有的MOS管都用纯二氧化硅作为gate dielectric。这种物质可以以极纯的纯度和均匀性生长成非常薄的薄膜;其他物质跟它都不能相提并论。因此其他电介质物质只有很少的应用。(也有用高介电常数的物质比如氮化硅作为gate dielectric的器件。有些作者把所有的MOS类晶体管,包括非氧化物电介质,称为insulated-gate field effect transistor(IGFET))
栅极(gate)的物质成分对阈值电压也有所影响。如上所述,当GATE和BACKGATE短接时,电场就施加在gate oxide上。这主要是因为GATE和BACKGATE物质之间的work function差值造成的。大多数实际应用的晶体管都用重掺杂的多晶硅作为gate极。改变多晶硅的掺杂程度就能控制它的work function。
GATE OXIDE或氧化物和硅表面之间界面上过剩的电荷也可能影响阈值电压。这些电荷中可能有离子化的杂质原子,捕获的载流子,或结构缺陷。电介质或它表面捕获的电荷会影响电场并进一步影响阈值电压。如果被捕获的电子随着时间,温度或偏置电压而变化,那么阈值电压也会跟着变化。2100433B
如MOS管,当器件由耗尽向反型转变时,要经历一个 Si 表面电子浓度等于空穴浓度的状态。此时器 件处于临界导通状态,器件的栅电压定义为阈值电压,它是MOSFET的重要参数之一 。MOS管的阈值电压等于背栅(backgate)和源极(source)接在一起时形成沟道(channel)需要的栅极(gate)对source偏置电压。如果栅极对源极偏置电压小于阈值电压,就没有沟道(channel)。
径流系数主要受集水区的地形、流域特性因子、平均坡度、地表植被情况及土壤特性等的影响。径流系数越大则代表降雨较不易被土壤吸收,亦即会增加排水沟渠的负荷。
摇床运动的不对称性它对矿粒沿纵向的选择性搬运及床层的松散影响很大。适宜的不对称性,要求既能保证较好的选择性搬运性能,又保证床层的充分松散。对较难松散和较易搬运的粗粒物料,不对称性可小些,对较易松散,但...
主要是指矿物成分及微观结构两方面。矿物成分:膨胀土含大量的活性粘土矿物,如蒙脱石和伊利石,尤其是蒙脱石,比表面积大,在低含水量时对水有巨大的吸力,土中蒙脱石含量的多寡直接决定着土的胀缩性质的大小。微观...
25第六章等效电路,影响阈值电压的因素
25第六章等效电路,影响阈值电压的因素
基于双电源电压和双阈值电压的全局互连性能优化
基于双电源电压和双阈值电压技术,提出了一种优化全局互连性能的新方法.文中首先定义了一个包含互连延时、带宽和功耗等因素的品质因子用以描述全局互连特性,然后在给定延时牺牲的前提下,通过最大化品质因子求得优化的双电压数值用以节省功耗.仿真结果显示,在65nm工艺下,针对5%,10%和20%的允许牺牲延时,所提方法相较于单电压方法可分别获得27.8%,40.3%和56.9%的功耗节省.同时发现,随着工艺进步,功耗节省更加明显.该方法可用于高性能全局互连的优化和设计.
场效应晶体管(FET)的阈值电压就是指耗尽型FET的夹断电压与增强型FET的开启电压。
(1)对于JFET:
对于长沟道JFET,一般只有耗尽型的器件;SIT(静电感应晶体管)也可以看成为一种短沟道JFET,该器件就是增强型的器件。
(2)对于MOSFET:
*增强型MOSFET的阈值电压VT是指刚刚产生出沟道(表面强反型层)时的外加栅电压。
①对于理想的增强型MOSFET(即系统中不含有任何电荷状态,在栅电压Vgs = 0时,半导体表面的能带为平带状态),阈值电压可给出为VT = ( SiO2层上的电压Vi ) + 2ψb = -[2εεo q Na ( 2ψb )] / Ci + 2ψb ,式中Vi ≈ (耗尽层电荷Qb) / Ci,Qb =-( 2εεo q Na [ 2ψb ] ),Ci是单位面积的SiO2电容,ψb是半导体的Fermi势(等于本征Fermi能级Ei与Ef之差)。
②对于实际的增强型MOSFET,由于金属-半导体功函数差φms 和Si-SiO2系统中电荷的影响, 在Vgs = 0时半导体表面能带即已经发生了弯曲,从而需要另外再加上一定的电压——“平带电压”才能使表面附近的能带与体内拉平。
因为金属-半导体的功函数差可以用Fermi势来表示:φms = (栅金属的Fermi势ψG )-(半导体的Fermi势ψB ) ,ψb = ( kT/q ) ln(Na/ni) ,对多晶硅栅电极(通常是高掺杂),ψg≈±0.56 V [+用于p型, -用于n型栅]。而且SiO2/Si 系统内部和界面的电荷的影响可用有效界面电荷Qf表示。从而可给出平带电压为 Vfb = φms-Qf /Ci 。
所以,实际MOSFET的阈值电压为VT = -[2εεo q Na ( 2ψb )] /Ci + 2ψb +φms-Qf /Ci 。
进一步,若当半导体衬底还加有反向偏压Vbs时,则将使沟道下面的耗尽层宽度有一定的增厚, 从而使阈值电压变化为:VT = -[2εεo q Na ( 2ψb+Vbs )] /Ci + 2ψb +φms-Qf /Ci 。
在制造MOSFET时,为了获得所需要的VT值和使VT值稳定,就需要采取若干有效的技术措施;这里主要是控制Si-SiO2系统中电荷Qf :其中的固定正电荷(直接影响到VT值的大小) 与半导体表面状态和氧化速度等有关(可达到<1012/cm2); 而可动电荷 (影响到VT值的稳定性) 与Na+等的沾污有关。因此特别需要注意在氧化等高温工艺过程中的清洁度。
*耗尽型MOSFET的阈值电压VT是指刚好夹断沟道时的栅极电压。情况与增强型器件的类似。
(3)对于BJT,阈值电压VTB是指输出电流Ic等于某一定值Ict (如1mA) 时的Vbe值。由VTB = (kT/q) ln(Ict/Isn) 得知:a)凡是能导致Ic发生明显变化的因素 (如掺杂浓度和结面积等),却对VTB影响不大,则BJT的VTB可控性较好;b) VTB 对于温度很敏感,将随着温度的升高而灵敏地降低,则可用VTB值来感测温度。
包装清单
晶体管阈值电压(Threshold voltage):
场效应晶体管(FET)的阈值电压就是指耗尽型FET的夹断电压与增强型FET的开启电压。
(1)对于JFET:
对于长沟道JFET,一般只有耗尽型的器件;SIT(静电感应晶体管)也可以看成为一种短沟道JFET,该器件就是增强型的器件。
(2)对于MOSFET:
*增强型MOSFET的阈值电压VT是指刚刚产生出沟道(表面强反型层)时的外加栅电压。
①对于理想的增强型MOSFET(即系统中不含有任何电荷状态,在栅电压Vgs = 0时,半导体表面的能带为平带状态),阈值电压可给出为VT = ( SiO2层上的电压Vi ) 2ψb = -[2εεo q Na ( 2ψb )] / Ci 2ψb ,式中Vi ≈ (耗尽层电荷Qb) / Ci,Qb =-( 2εεo q Na [ 2ψb ] ),Ci是单位面积的SiO2电容,ψb是半导体的Fermi势(等于本征Fermi能级Ei与Ef之差)。
②对于实际的增强型MOSFET,由于金属-半导体功函数差φms 和Si-SiO2系统中电荷的影响, 在Vgs = 0时半导体表面能带即已经发生了弯曲,从而需要另外再加上一定的电压——“平带电压”才能使表面附近的能带与体内拉平。
因为金属-半导体的功函数差可以用Fermi势来表示:φms = (栅金属的Fermi势ψG )-(半导体的Fermi势ψB ) ,ψb = ( kT/q ) ln(Na/ni) ,对多晶硅栅电极(通常是高掺杂),ψg≈±0.56 V [ 用于p型, -用于n型栅]。而且SiO2/Si 系统内部和界面的电荷的影响可用有效界面电荷Qf表示。从而可给出平带电压为 Vfb = φms-Qf /Ci 。
所以,实际MOSFET的阈值电压为VT = -[2εεo q Na ( 2ψb )] /Ci 2ψb φms-Qf /Ci 。
进一步,若当半导体衬底还加有反向偏压Vbs时,则将使沟道下面的耗尽层宽度有一定的增厚, 从而使阈值电压变化为:VT = -[2εεo q Na ( 2ψb Vbs )] /Ci 2ψb φms-Qf /Ci 。
在制造MOSFET时,为了获得所需要的VT值和使VT值稳定,就需要采取若干有效的技术措施;这里主要是控制Si-SiO2系统中电荷Qf :其中的固定正电荷(直接影响到VT值的大小) 与半导体表面状态和氧化速度等有关(可达到<1012/cm2); 而可动电荷 (影响到VT值的稳定性) 与Na 等的沾污有关。因此特别需要注意在氧化等高温工艺过程中的清洁度。
*耗尽型MOSFET的阈值电压VT是指刚好夹断沟道时的栅极电压。情况与增强型器件的类似。
(3)对于BJT,阈值电压VTB是指输出电流Ic等于某一定值Ict (如1mA) 时的Vbe值。由VTB = (kT/q) ln(Ict/Isn) 得知:a)凡是能导致Ic发生明显变化的因素 (如掺杂浓度和结面积等),却对VTB影响不大,则BJT的VTB可控性较好;b) VTB 对于温度很敏感,将随着温度的升高而灵敏地降低,则可用VTB值来感测温度。 2100433B
MOS管的阈值电压等于backgate和source接在一起时形成channel需要的gate对source偏置电压。如果gate对source偏置电压小于阈值电压,就没有channel。一个特定的晶体管的阈值电压和很多因素有关,包括backgate的掺杂,电介质的厚度,gate材质和电介质中的过剩电荷。每个因素都会被简单的介绍下。
Bakegate的掺杂是决定阈值电压的主要因素。如果backgate越重掺杂,它就越难反转。要反转就要更强的电场,阈值电压就上升了。MOS管的backgate掺杂能通过在gate dielectric表面下的稍微的implant来调整。这种implant被叫做阈值调整implant(或Vt调整implant)。
考虑一下Vt调整implant对NMOS管的影响。如果implant是由acceptors组成的,那么硅表面就更难反转,阈值电压也升高了。如果implant是由donors组成的,那么硅表面更容易反转,阈值电压下降。如果注入的donors够多,硅表面实际上就反向掺杂了。这样,在零偏置下就有了一薄层N型硅来形成永久的channel。随着GATE偏置电压的上升,channel变得越来越强的反转。随着GATE偏置电压的下降,channel变的越来越弱,最后消失了。这种NMOS管的阈值电压实际上是负的。这样的晶体管称为耗尽模式NMOS,或简单的叫做耗尽型NMOS。相反,一个有正阈值电压的的NMOS叫做增强模式NMOS,或增强型NMOS。绝大多数商业化生产的MOS管是增强型器件,但也有一些应用场合需要耗尽型器件。耗尽型PMOS也能被生产出来。这样的器件的阈值电压是正的。
耗尽型的器件应该尽量的被明确的标识出来。不能靠阈值电压的正负符号来判断,因为通常许多工程师忽略阈值电压的极性。因此,应该说“阈值电压为0.7V的耗尽型PMOS”而不是阈值电压为0.7V的PMOS。很多工程师会把后者解释为阈值电压为-0.7V的增强型PMOS而不是阈值电压为+0.7V的耗尽型PMOS。明白无误的指出是耗尽型器件可以省掉很多误会的可能性。
为了区别不同的MOS管有很多特殊的符号。图7就是这些符 号。(符号A,B,E,F,G,和H被许多不同的作者使用)符号A和B分别是NMOS和PMOS管的标准符号。这些符号在工业界没有被普遍使用;相反,符号C和D分别代表NMOS和PMOS。这些符号被设计的很像NPN和PNP管。这么做能突出MOS和双极型电路之间基本的相似点。符号E和F用在backgates接到已知电位上时。每个MOS管都有一个backgate,所以它总得接到什么地方。符号E和F可能有点让人看不懂,因为读者必须自己推断bakgate的接法。尽管如此,这些符号还是非常流行,因为他们使电路同看上去更易读。符号G和H经常被用在耗尽型器件上,符号中从drain到source的粗线就表示了零偏置时的channel。符号I和J表示高电位drain的非对称晶体管,符号K和L表示drain和source都是高电位的对称晶体管。除了这些,MOS管还有其他很多电路符号;图1.24仅仅是其中的一小部分。
电介质在决定阈值电压方面也起了重要作用。厚电介质由于比较厚而削弱了电场。所以厚电介质使阈值电压上升,而薄电介质使阈值电压下降。理论上,电介质成分也会影响电场强度。而实际上,几乎所有的MOS管都用纯二氧化硅作为gate dielectric。这种物质可以以极纯的纯度和均匀性生长成非常薄的薄膜;其他物质跟它都不能相提并论。因此其他电介质物质只有很少的应用。(也有用高介电常数的物质比如氮化硅作为gate dielectric的器件。有些作者把所有的MOS类晶体管,包括非氧化物电介质,称为insulated-gate field effect transistor(IGFET))
gate的物质成分对阈值电压也有所影响。如上所述,当GATE和BACKGATE短接时,电场就出现在gate oxide上。这主要是因为GATE和BACKGATE物质之间的work function差值造成的。大多数实际应用的晶体管都用重掺杂的多晶硅作为gate极。改变多晶硅的掺杂程度就能控制它的work function。
GATE OXIDE或氧化物和硅表面之间界面上过剩的电荷也可能影响阈值电压。这些电荷中可能有离子化的杂质原子,捕获的载流子,或结构缺陷。电介质或它表面捕获的电荷会影响电场并进一步影响阈值电压。如果被捕获的电子随着时间,温度或偏置电压而变化,那么阈值电压也会跟着变化。