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