閾值電壓 (Threshold voltage)：通常將傳輸特性曲線中輸出電壓隨輸入電壓改變而急劇變化轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)對應(yīng)的輸入電壓稱為閾值電壓。在描述不同的器件時(shí)具有不同的參數(shù)。如描述場發(fā)射的特性時(shí)，電流達(dá)到10mA時(shí)的電壓被稱為閾值電壓。
如MOS管，當(dāng)器件由耗盡向反型轉(zhuǎn)變時(shí)，要經(jīng)歷一個(gè) Si 表面電子濃度等于空穴濃度的狀態(tài)。此時(shí)器 件處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，器件的柵電壓定義為閾值電壓，它是MOSFET的重要參數(shù)之一。
一開始學(xué)習(xí)MOS管的工作原理，就引入了閾值電壓的概念，但教科書所講的閾值電壓的概念都是建立在器件比較理想的模型基礎(chǔ)上的，對于實(shí)際的器件，從線性區(qū)到飽和區(qū)的轉(zhuǎn)換是有一個(gè)過渡區(qū)的，此時(shí)對閾值電壓的定義需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)常發(fā)生的一個(gè)問題是，不同工藝線中相類似的器件作比較時(shí)，因?yàn)闆]有確定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致工藝的比較不是非常的科學(xué)準(zhǔn)確。本文就對閾值電壓的定義方法作一些簡單的討論，嘗試對業(yè)界現(xiàn)在流行的方法作出更詳細(xì)的解釋。
閾值電壓的計(jì)算方法
根據(jù)JEDEC STANDARD JESD-28的規(guī)定計(jì)算方法(JEDEC 14.2.2 –Hot Carrier Working Group --- June 15，1995)，有兩種計(jì)算閾值電壓的方法：
方法A易于操作，在早期的閾值電壓測試中常用，隨著工藝的先進(jìn)，這種方法不夠準(zhǔn)確，方法B逐漸開始采用，但實(shí)際上JEDEC定義的不夠準(zhǔn)確，它是把VDS忽略掉了。正確的計(jì)算方法是，根據(jù)線性區(qū)的電流方程：
我用Hspice仿真的方法，用A、B兩種方法計(jì)算了某0.18um工藝中NMOS的閾值電壓，取VDS=0.1V。下面是計(jì)算結(jié)果：
1. W=1u， L=1u. 方法A：在波形圖上測量到ID=0.1uA時(shí)，VGS=0.356V，那么VT(ci)=0.356V;ID=1uA時(shí)，VGS=0.467V 方法B.：在波形圖上測量到gm(max)=29.6u，此時(shí)VGS約為0.675~0.679V，就取
2. W=10u， L=1u. 方法A：在波形圖上測量到ID=1uA時(shí)，VGS=0.361V，那么VT(ci)=0.361V;ID=10uA時(shí)，VGS=0.471V; 方法B.：在波形圖上測量到gm(max)=311.4u，此時(shí)VGS=0.683V，此時(shí)ID=68.11uA，代入公式(3)，得到VT(ext)=0.414V。
同時(shí)用Hspice中的vth()輸出，得到Vth=0.414V
三種計(jì)算方法得到的結(jié)果與上相同
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