Eşik gerilimi - Threshold voltage
Eşik voltajı yaygın V olarak kısaltılır, th a, alan-etkili transistör (FET) en az kapı-kaynak voltajı V GS (th) Kaynak ve boşaltma terminalleri arasında bir iletken yol oluşturmak için gereklidir. Güç verimliliğini korumak için önemli bir ölçeklendirme faktörüdür.
Bir bağlantı alanı etkili transistörüne (JFET) atıfta bulunulduğunda , eşik voltajına genellikle sıkıştırma voltajı denir . Bu biraz yana kafa karıştırıcı kapalı tutam uygulanan yalıtılmış-kapı alan-etkili transistör (IGFET) atıfta kıstırma kanal yüksek kaynak-boşaltma ön gerilim altında mevcut doygunluk davranışına yol açar, akım kapalı hiç olsa bile. Kıstırmadan farklı olarak , eşik voltajı terimi nettir ve herhangi bir alan etkili transistörde aynı kavramı ifade eder.
Temel prensipler
Gelen n-kanal geliştirme mod cihazları, iletken bir kanal transistörün içinde doğal olarak mevcut olmayan ve pozitif geçit-kaynak voltaj, oluşturmak için gereklidir. Pozitif voltaj, vücutta serbest yüzen elektronları kapıya doğru çekerek iletken bir kanal oluşturur. Ama önce, FET'in gövdesine eklenen katkı iyonlarına karşı koymak için kapının yakınında yeterli elektron çekilmelidir; bu , tükenme bölgesi adı verilen mobil taşıyıcıları olmayan bir bölge oluşturur ve bunun meydana geldiği voltaj , FET'in eşik voltajıdır . Kapıdan kaynağa daha fazla voltaj artışı, kaynaktan drenaja iletken bir kanal oluşturabilen kapıya doğru daha da fazla elektron çekecektir; bu işleme inversiyon denir . P-kanalı "geliştirme modu" MOS transistörü için bunun tersi geçerlidir. VGS = 0 olduğunda cihaz “OFF” ve kanal açık / iletken değil. P-tipi "geliştirme modu" MOSFET'e negatif (-ve) geçit voltajının uygulanması, "AÇIK" konuma getirerek kanalların iletkenliğini artırır.
Buna karşılık, n-kanal tükenme modu aygıtları, transistör içinde doğal olarak bulunan bir iletken kanala sahiptir. Buna bağlı olarak, eşik voltajı kolaylıkla için geçerli değildir dönerek bu tür cihazlar, ancak kanal elektron kolayca akmasına olanak sağlamak üzere yeterince geniş olduğu gerilim düzeyini göstermek için yerine kullanılır. Bu akış kolaylığı eşiği , kapıdan gövdeye/kaynağa giden negatif bir voltajın, pozitif yüklü delikleri kapı-yalıtkan/yarı iletken arayüzünden uzağa zorlayarak bir tükenme katmanı oluşturduğu p-kanalı tükenme modu cihazları için de geçerlidir. hareketsiz, negatif yüklü alıcı iyonların taşıyıcısız bir bölgesini açığa çıkardı.
N-kanal tükenmesi MOS transistörü için, bir negatif geçit kaynağı voltajı, -VGS, transistörü “KAPALI” hale getiren serbest elektronlarının iletken kanalını tüketecektir (dolayısıyla adı). Aynı şekilde, bir p-kanalı "tükenme-modu" MOS transistörü için pozitif geçit kaynağı voltajı, +VGS onu "KAPALI" hale getirerek serbest deliklerinin kanalını tüketecektir.
Geniş düzlemsel transistörlerde eşik voltajı esasen drenaj-kaynak voltajından bağımsızdır ve bu nedenle iyi tanımlanmış bir özelliktir, ancak drenaj kaynaklı bariyer düşürme nedeniyle modern nanometre boyutlu MOSFET'lerde daha az nettir .
Şekillerde, kaynak (sol taraf) ve tahliye (sağ taraf), yoğun katkılı (mavi) n-bölgeleri belirtmek için n+ olarak etiketlenmiştir . Tüketim katmanı katkı maddesi, (pembe) tükenme katmanındaki iyonların negatif yüklü olduğunu ve çok az delik olduğunu belirtmek için N A - olarak etiketlenmiştir . (Kırmızı) delik sayısı toplu olarak p = N bir dökme yük nötr adrestir.
Kapı voltajı eşik voltajının altındaysa (soldaki şekil), "geliştirme modu" transistörü kapatılır ve ideal olarak drenajdan transistörün kaynağına akım olmaz . Aslında, küçük olmasına ve kapı sapması ile üstel olarak değişmesine rağmen , eşiğin ( eşik altı kaçak ) akımının altındaki kapı önyargıları için bile bir akım vardır .
Geçit voltajı eşik voltajının üzerindeyse (sağdaki şekil), oksit-silikon arayüzünde kanalda çok sayıda elektron bulunduğundan, "geliştirme modu" transistörü açılır ve şarjın yapılabileceği düşük dirençli bir kanal oluşturur. drenajdan kaynağa akış. Eşiğin önemli ölçüde üzerindeki voltajlar için bu duruma güçlü inversiyon denir. V D > 0 olduğunda kanal daralır, çünkü dirençli kanaldaki akımdan kaynaklanan voltaj düşüşü, drenaja yaklaştıkça kanalı destekleyen oksit alanını azaltır.
vücut etkisi
Gövde etkisi olan bir miktar ile eşik gerilim değişikliği yaklaşık olarak kaynak kütle gerilim değişikliği eşittir , (o kaynağına bağlı değilken) vücut eşik gerilimini etkiler için. İkinci bir kapı olarak düşünülebilir ve bazen arka kapı olarak anılır ve buna göre vücut etkisi bazen arka kapı etkisi olarak adlandırılır .
Bir geliştirme modu nMOS MOSFET için, eşik voltajı üzerindeki gövde etkisi, aşağıdaki denklem kullanılarak daha eski süreç düğümleri için doğru olan Shichman-Hodges modeline göre hesaplanır:
burada tepkimeye giren madde voltajı mevcut olduğunda, eşik voltajı olan kaynak-gövde tepkimeye giren madde voltajı olan, yüzey potansiyeli ve sıfır tepkimeye giren madde voltajının eşik voltajı, vücut etkisi parametredir oksit kalınlığı, bir oksit dielektrik , olduğu silikon dielektrik, bir katkılama konsantrasyonu olan , temel yüktür .
Oksit kalınlığına bağımlılık
90 nm CMOS işlemi gibi belirli bir teknoloji düğümünde, eşik voltajı oksit seçimine ve oksit kalınlığına bağlıdır . Yukarıdaki gövde formüllerini kullanmak, oksit kalınlığının parametresi olan ve ile doğru orantılıdır .
Böylece oksit kalınlığı ne kadar ince olursa, eşik voltajı o kadar düşük olur. Bu bir gelişme gibi görünse de, maliyetsiz değildir; çünkü oksit kalınlığı ne kadar ince olursa , cihazdan geçen eşik altı kaçak akım o kadar yüksek olacaktır. Sonuç olarak, kaçak akımı kontrol etmek için 90 nm geçit oksit kalınlığı için tasarım spesifikasyonu 1 nm'ye ayarlandı. Fowler-Nordheim Tünel Açma adı verilen bu tür tünel açma.
nerede ve sabittir ve geçit oksidi boyunca elektrik alanıdır.
Tasarım özelliklerini 90 nm'ye kadar ölçeklendirmeden önce, oksit kalınlığını oluşturmak için ikili oksit yaklaşımı bu soruna ortak bir çözümdü. 90 nm işlem teknolojisi ile bazı durumlarda üçlü oksit yaklaşımı benimsenmiştir. Çoğu transistör için bir standart ince oksit, G/Ç sürücü hücreleri için bir diğeri ve bellek ve geçiş transistör hücreleri için üçüncüsü kullanılır. Bu farklılıklar tamamen CMOS teknolojilerinin eşik voltajı üzerindeki oksit kalınlığının özelliklerine dayanmaktadır.
Sıcaklık bağımlılığı
Eşik voltajını etkileyen oksit kalınlığı durumunda olduğu gibi, sıcaklığın bir CMOS cihazının eşik voltajı üzerinde etkisi vardır. Vücut etkisi bölümünde denklemin bir kısmını genişletmek
burada yarı kontak potansiyeli olduğunu olan Boltzmann sabiti , sıcaklık, bir temel yüktür , bir katkılama parametresi ve alt-tabaka için içsel katkılama parametredir.
Yüzey potansiyelinin sıcaklıkla doğrudan bir ilişkisi olduğunu görüyoruz. Yukarıdan bakıldığında, eşik voltajının doğrudan bir ilişkisi olmadığı ancak etkilerden bağımsız olmadığı görülmektedir. Bu varyasyon, doping seviyesine bağlı olarak tipik olarak -4 mV/K ile -2 mV/K arasındadır. 30 °C'lik bir değişiklik için bu, 90 nm teknoloji düğümü için yaygın olarak kullanılan 500 mV tasarım parametresinden önemli bir farklılıkla sonuçlanır.
Rastgele katkı dalgalanmasına bağımlılık
Rastgele katkı dalgalanması (RDF), implante edilen safsızlık konsantrasyonundaki değişiklikten kaynaklanan bir süreç varyasyonu şeklidir. MOSFET transistörlerinde, kanal bölgesindeki RDF, transistörün özelliklerini, özellikle eşik voltajı değiştirebilir. Daha yeni proses teknolojilerinde, toplam katkı maddesi sayısı daha az olduğu için RDF daha büyük bir etkiye sahiptir.
Aynı üretim sürecinden geçen cihazlar arasında eşik voltajının değişmesine neden olan dopant dalgalanmasını bastırmak için araştırmalar yapılmaktadır.
Ayrıca bakınız
Referanslar
Dış bağlantılar
- Çevrimiçi ders: Eşik Gerilimi ve MOSFET Kapasiteleri , Dr. Lundstrom