MOS器件的阈值电压定义及分析

MOS器件的阈值电压

1、阈值电压V_T

所谓MOS器件的阀值电压，是指器件的漏源刚好导通时的栅电压。这实际上要满足Si表面达到强反型条件，即表面势。MOS阈值电压。那么究竟要加多大的栅电压才能满足强反型条件呢？如果源极接地，这里的栅电压就是指栅源电压VGS。

由前面的分析知道，一个实际的MOS器件要达到强反型，首先要建立平带条件。必须在栅极上加一个电压，以抵消由于功函数差及有效表面电荷对能带的影响，使能带变平。这个平带电压，由（1-18）与（1-20）两式之和给出，即：

在平带的基础上，还必须再在栅上施加一个电压，以达到强反型条件，这个电压（1-1）式给出：

这里，

所以，

称为本征阀电压，即理想MOS器件的阈值电压。为空间电荷区中单位面积的电荷量。MOS阈值电压。对于N型材料，为正值，对于P型材料，为负值。

将（1-21）和（1-22）两式相加，即得到MOS器件的阈值电压的表达式：

（1-23）式是通过分析N沟道MOS系统得来的，但它是一个普遍公式，也适合于P道MOS器件。对于不同的材料，阀值电压式中各个因素取值的正负是不同的，可归纳于表1-2中。

由表可见，对于N型衬底的P沟道MOS器件（1-23）式中四项符号一致（一般小于零），可以理解为四项取绝对值相加，并在和数之前加负号。因此N型衬底总是做出增强型器件，其阀值电压VT是负的。而对于N沟道MOS器件，由于P型衬底的，所以有可能出现下面的情况，即：

在这一情况下，阀值电压为负值，说明沟道已经形成，成为耗尽型器件。在生产N沟道增强型MOS晶体管时，往往容易出现表面耗尽，所以必须采取有效措施，例如衬底的电阻率一定要取得很低（一般至少在以下），在工艺中尽量降低氧化层中的有效正电荷密度，使上述不等式的不等号换向，即：

这样才能得到VT为正值的N沟道增强型器件。

对于增强型器件，阈值电压总是随氧化层厚度增加而增加，对耗尽型器件，实际碰到的情况，也是如此。

下面举例说明有关阀值电压中各项的典型数据。MOS阈值电压。常见P沟道MOS器件的阈值电压为-4V，N型衬底的掺杂浓度约为氧化层厚度根据上面数据，先查图1-10得再查图1-18得，然后算得

从该例子可看到一般P沟道MOS晶体管的阅值电压主要由三项决定。可见衬底电阻率的选择及工艺上对的控制是决定阀值电压的重要因素。

2、短沟道效应对VT的影响

上面我们在导出VT的公式时，所考虑MOS晶体管的沟道是），漏、源扩散区耗尽层对VT的影响就不能再被忽略了。一般说来，短沟道MOS晶体管的VT要比与沟道MOS晶体管的VT小。在短沟道的情况，VT不仅与衬底浓度N及有关，而且还与沟道长度L和漏、源扩散区的结深有关，图1-15表示MOS晶体管VT与沟道长度L的实验关系曲线。可见，沟道愈短，VT减小的速率愈快。造成这种影响的原因在于沟道耗尽层中电离杂质电荷密度对VT的贡献减小了。MOS阈值电压。在长沟道的情况下，可以认为在沟道L下面的全部都对VT有贡献，而在短沟道的情况下，由于沟道两端的源、漏扩散区对沟道内静电势分布的影响增强，源漏扩散区中耗尽层电离杂质电荷的电力线，将有一部分终止在沟道下面的耗尽区，如图1-16所示。这样，就削弱了对VT的贡献。也可以认为沟道下面耗尽区电离杂质减少了，故使VT减小。

理论计算，短沟道MOS晶体管的阀值电压Vr为：

其中为源漏扩散区的扩散深度，L为沟道长度，为耗尽区的宽度。从（1-25）式可见，要减弱短沟道MOS品体管沟道长度对VT的影响，必须减小漏、源扩散区的结深

，或增大衬底杂质浓度N。

3、背面栅数应对VT的影响

MOS晶体管作为单管使用时，它的源和衬底连接在一起，共同接地。但当MOS晶体管构成电路时，有些管子的源和村底不直接相连，例如在

衬底和源极之间加上一定的偏置电压Vas。如图1-17所示。

当源极与衬底之间加偏压后，使源扩散区和衬底之间的PN结处于反向偏置。这样，沟道要受到衬底偏置电压的调制。这种效应通常称为“背面栅”效应，或“衬底偏置效应”。

从图1-17中看到，反向偏置电压是通过源极加在沟道和衬底之间的，因为沟道是很薄的，可看作为单边突变PN结的N⁺区，反向偏置的结果会使沟道和衬底间的耗尽层向衬底内部展宽，耗尽层中的电荷增多。由于要保持MOS系统的电中型条件，必定会减少沟道中的电子电荷，使沟道变得更薄。MOS阈值电压。如果要维持原来的沟道宽度，就必须在栅极上积累更多的正电荷，以平衡耗尽层中增加的负电荷。这就意味着要增加阀值电压

沟道变薄，甚至消失。这就说明，偏置电压的绝对值越大，阀值电压的增加量也越大。图1-18表示沟道随变化的情况。其中（a）为沟道未受到调制；（b）为

的大小，可以从阀值电压的表示式求得。由于源极和衬底加了反向偏置电压以后，能带的弯曲程度愈甚，空间电荷区中的电荷密度增加，其数量由下式给出：

于是阀值电压的表达式可改为：

将（1-27）式减去（1-23）式，得到：

如果是P沟道MOS管，当衬底与源极之间存在偏压时，如图1-17（b）的情况，阀值电压的增量为：

根据以上分析知道：

对于N沟道MOS晶体管，因为所以得到对于P沟从（1-28）、（1-29）两式表明，与衬底浓度和偏置电压的大小有密切关系。如图1-19所示。道MOS晶体管，因为所以得到

在工程计算中，为了方便起见，阀值电压的增量往往采用近似表达式：

式中的为衬底偏置效应常数，它随衬底掺杂浓度而变化，其典型值为：对于N沟道MOS晶体管，对于P沟道MOS晶体管，最后，还得对VT着重说明一点，上面所说的MOS器件的阈值电压阀值电压VT，正好是形成沟道时的栅电压，与管子的几何尺寸无关。MOS阈值电压。但在生产实际中，VT往往定为漏源电流为时所施加的栅电压，这和上面讲到的不完全一样。因为时定出的阀值电压往往还在一定程度上依赖几何尺寸，所以生产中测出来的阀电压，要比上面所讲的阀电压大些。