[科普中国]-阈值电压

阈值电压 (Threshold voltage):通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压.在描述不同的器件时具有不同的参数。如描述场发射的特性时，电流达到10mA时的电压被称为阈值电压。

概述如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的重要参数之一1。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）。

影响因素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。

背栅的掺杂背栅（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））

栅极的物质成分栅极（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。

介电层与栅极界面上过剩的电荷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。

本词条内容贡献者为:

韩拯 - 研究员 - 中国科学院金属研究所