Пороговое напряжение

Пороговое напряжение в полупроводниковых приборах определяется как минимальное значение напряжения, при котором в структуре прибора возникают условия для существенного протекания тока. Данный параметр является критическим для транзисторов с управляющим затвором, таких как МОП-транзисторы, а также для некоторых диодных структур и оптоэлектронных устройств. В частности, в полевых транзисторах пороговое напряжение определяет границу между режимом отсечки и режимом проводимости канала.

Физическая сущность порогового напряжения связана с балансом зарядов на границе полупроводник–диэлектрик и с необходимостью создания в канале проводящего слоя за счет инверсии или накопления носителей заряда. В кремниевых МОП-транзисторах этот процесс описывается образованием инверсного слоя в приповерхностной области под затвором.

Зарядовые процессы на границе диэлектрик–полупроводник

Для того чтобы индуцировать проводящий канал, необходимо приложить к затвору положительный (для n-канальных приборов) или отрицательный (для p-канальных приборов) потенциал относительно подложки. При этом в области полупроводника, примыкающей к границе, возникает изменение концентрации носителей заряда. Процесс можно разделить на несколько стадий:

  1. Обеднение – при малых напряжениях на затворе вблизи поверхности уменьшается концентрация основных носителей заряда.
  2. Сильное обеднение – по мере увеличения напряжения формируется слой обедненной области, где число подвижных носителей минимально.
  3. Инверсия – при достижении определенного критического значения напряжения концентрация неосновных носителей (для n-канала – электронов, для p-канала – дырок) у поверхности становится сравнимой с концентрацией основных носителей в объеме. Это состояние и определяет пороговое напряжение.

Таким образом, пороговое напряжение соответствует условию начала инверсии проводимости.

Математическое выражение порогового напряжения

Для МОП-структур пороговое напряжение Vth можно выразить в виде:

$$ V_{th} = V_{fb} + 2\varphi_F + \frac{\sqrt{2 \varepsilon_s q N_A 2\varphi_F}}{C_{ox}} $$

где:

  • Vfb – напряжение плоских зон, зависящее от работы выхода материалов затвора и полупроводника;
  • φF – потенциал Ферми в полупроводнике;
  • εs – диэлектрическая проницаемость полупроводника;
  • q – заряд электрона;
  • NA – концентрация легирующей примеси (для p-подложки);
  • Cox – емкость оксидного слоя на единицу площади.

Это уравнение показывает, что пороговое напряжение зависит от материала затвора, толщины и свойств диэлектрика, концентрации легирования и температуры.

Факторы, влияющие на величину порогового напряжения

  1. Толщина оксидного слоя. Чем тоньше диэлектрик, тем выше емкость Cox, а значит, меньше величина напряжения, необходимого для индуцирования канала.
  2. Работа выхода материала затвора. Использование различных материалов для затвора (например, поли-Si, металлы, высоко-k материалы) изменяет Vfb.
  3. Уровень легирования подложки. При высокой концентрации примесей увеличивается ширина обедненного слоя и, соответственно, возрастает пороговое напряжение.
  4. Температура. С ростом температуры увеличивается концентрация носителей, изменяется потенциал Ферми и, как следствие, пороговое напряжение смещается.
  5. Зарядовые ловушки в диэлектрике и на границе раздела. Наличие фиксированных зарядов приводит к смещению характеристик и изменению Vth.

Экспериментальные методы определения порогового напряжения

Для практических измерений используют несколько методик:

  • Метод экстраполяции линейного участка: напряжение затвора, при котором экстраполированная прямая на характеристике «корень квадратный из тока стока – напряжение затвор-исток» пересекает ось напряжений, принимается за Vth.
  • Метод максимальной крутизны: анализируется точка перегиба на зависимости тока стока от напряжения затвора.
  • Метод транскондуктивности: пороговое напряжение вычисляется через соотношение между током и производной по напряжению затвора.

Эти методы позволяют учитывать реальные эффекты, связанные с технологическими разбросами и неидеальностью структуры.

Роль порогового напряжения в работе приборов

Пороговое напряжение играет определяющую роль в следующих аспектах:

  • Формирование режимов работы транзистора: при Vgs < Vth канал отсутствует, и ток стока минимален; при Vgs > Vth начинается формирование канала и включение прибора.
  • Энергопотребление: в цифровых схемах величина Vth определяет баланс между скоростью переключения и утечками. Снижение Vth увеличивает скорость, но ведет к росту токов утечки.
  • Масштабирование приборов: в технологии субмикронных и нанометровых МОП-транзисторов контроль над величиной порогового напряжения является ключевым фактором надежности и производительности интегральных схем.

Современные тенденции управления пороговым напряжением

В современных технологиях применяются специальные методы регулировки порогового напряжения:

  • Ионная имплантация примесей в область под затвором (для изменения уровня легирования).
  • Использование высоко-k диэлектриков и металлических затворов для независимого контроля величины Vfb.
  • Многостадийное легирование и создание асимметричных профилей концентраций для балансировки скорости и утечек.
  • Технологии FinFET и GAA-транзисторов – благодаря трехмерному управлению каналом удается достичь более стабильных значений порогового напряжения при малых масштабах.
Оглавление