MOS阈值电压VT.doc

晶体管阈值电压
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:
耗尽型JFET的沟道掺杂浓度越高, 原始沟道越宽,则夹断电压就越高;温度升高时,由于本征载流子浓度的提高和栅结内建电势的减小, 则夹断电压降低。
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≈± 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