Voltaje umbral

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Tensión mínima de fuente a puerta para que un transistor de efecto de campo se realice de origen a drenaje

El voltaje umbral, comúnmente abreviado como V_th o V_GS(th), de un transistor de efecto de campo (FET) es el voltaje mínimo de puerta a fuente (V_GS) que se necesita para crear una ruta conductora entre los terminales de fuente y drenaje. Es un factor de escala importante para mantener la eficiencia energética.

Cuando se hace referencia a un transistor de efecto de campo de unión (JFET), el voltaje umbral a menudo se denomina voltaje de pellizco. Esto es algo confuso ya que pinch off aplicado al transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) se refiere al pellizco del canal que conduce al comportamiento de saturación actual bajo un alto sesgo de fuente-drenaje, aunque la corriente nunca es apagado. A diferencia de pellizco, el término voltaje umbral no es ambiguo y se refiere al mismo concepto en cualquier transistor de efecto de campo.

Principios básicos

En los dispositivos modo de mejora de canal n, no existe naturalmente un canal conductor dentro del transistor, y es necesario un voltaje positivo de puerta a fuente para crear uno. El voltaje positivo atrae electrones que flotan libremente dentro del cuerpo hacia la puerta, formando un canal conductor. Pero primero, se deben atraer suficientes electrones cerca de la puerta para contrarrestar los iones dopantes agregados al cuerpo del FET; esto forma una región sin operadores de telefonía móvil llamada región de agotamiento, y el voltaje al que esto ocurre es el voltaje umbral del FET. Un mayor aumento del voltaje entre la puerta y la fuente atraerá aún más electrones hacia la puerta, que pueden crear un canal conductor desde la fuente hasta el drenaje; este proceso se llama inversión. Lo contrario es cierto para el modo de mejora del canal p. Transistor MOS. Cuando V_GS = 0 el dispositivo está “OFF” y el canal está abierto/no conductor. La aplicación de un voltaje de puerta negativo al "modo de mejora" MOSFET mejora la conductividad del canal al encenderlo.

Por el contrario, los dispositivos modo de agotamiento de canal n tienen un canal conductor que existe naturalmente dentro del transistor. En consecuencia, el término voltaje umbral no se aplica fácilmente al encendido de dichos dispositivos, sino que se utiliza para indicar el nivel de voltaje en el que el canal es lo suficientemente ancho como para permitir que los electrones fluyan. fluir fácilmente. Este umbral de facilidad de flujo también se aplica a los dispositivos modo de agotamiento de canal p, en los que un voltaje negativo desde la puerta al cuerpo/fuente crea una capa de agotamiento al alejar los orificios cargados positivamente de la puerta. -Interfaz aislante/semiconductor, que deja expuesta una región libre de portadores de iones aceptores inmóviles y cargados negativamente.

Para el transistor MOS de agotamiento de canal n, un voltaje de fuente de puerta negativo agotará (de ahí su nombre) el canal conductor de sus electrones libres, apagando el transistor. Lo mismo ocurre con un canal p "modo de agotamiento" En el transistor MOS, un voltaje positivo de puerta-fuente agotará el canal de sus orificios libres, apagándolo.

En los transistores planos anchos, el voltaje umbral es esencialmente independiente del voltaje drenaje-fuente y, por lo tanto, es una característica bien definida; sin embargo, es menos claro en los MOSFET modernos de tamaño nanométrico debido a la reducción de la barrera inducida por el drenaje.

Región de agotamiento de un movimiento de mejora nMOSFET sesgada debajo del umbral

Región de agotamiento de un movimiento de mejora nMOSFET sesgada por encima del umbral con canal formado

En las figuras, la fuente (lado izquierdo) y el drenaje (lado derecho) están etiquetados n+ para indicar regiones n fuertemente dopadas (azul). El dopante de la capa de agotamiento está etiquetado como N_A^- para indicar que los iones en la capa de agotamiento (rosa) están cargados negativamente y hay muy pocos agujeros. En la masa (roja) el número de agujeros p = N_A hace que la carga en masa sea neutral.

Si el voltaje de la puerta está por debajo del voltaje umbral (figura de la izquierda), el "modo de mejora" El transistor está apagado e idealmente no hay corriente desde el drenaje a la fuente del transistor. De hecho, hay una corriente incluso para polarizaciones de puerta por debajo del umbral (fuga subumbral), aunque es pequeña y varía exponencialmente con la polarización de puerta. Por lo tanto, las hojas de datos especificarán el voltaje umbral de acuerdo con una cantidad de corriente mensurable específica (comúnmente 250 μA o 1 mA).

Si el voltaje de la puerta está por encima del voltaje umbral (figura de la derecha), el "modo de mejora" El transistor está encendido, debido a que hay muchos electrones en el canal en la interfaz óxido-silicio, lo que crea un canal de baja resistencia donde la carga puede fluir desde el drenaje a la fuente. Para tensiones significativamente superiores al umbral, esta situación se denomina inversión fuerte. El canal se estrecha cuando V_D > 0 porque la caída de voltaje debido a la corriente en el canal resistivo reduce el campo de óxido que soporta el canal a medida que se acerca al drenaje.

Efecto corporal

El efecto corporal es el cambio en el voltaje del umbral por una cantidad aproximadamente igual al cambio en el voltaje fuente-bulk, ${displaystyle V_{SB}}$ , porque el cuerpo influye en el voltaje del umbral (cuando no está atado a la fuente). Se puede pensar como una segunda puerta, y a veces se conoce como la puerta trasera, y en consecuencia el efecto corporal se llama a veces efecto de la puerta trasera.

Para un MOSFET nMOS en modo de mejora, el efecto del cuerpo sobre el voltaje umbral se calcula de acuerdo con el modelo de Shichman-Hodges, que es preciso para nodos de proceso más antiguos, utilizando la siguiente ecuación:

{displaystyle V_{TN}=V_{TO}+gamma left({sqrt {left|V_{SB}+2phi _{F}right|}}-{sqrt {left|2phi _{F}right|}}right)}

dónde;

${displaystyle V_{TN}}$ es el voltaje del umbral cuando el sesgo del sustrato está presente,

${displaystyle V_{SB}}$ es el sesgo de sustrato fuente a cuerpo,

${displaystyle 2phi _{F}}$ es el potencial de superficie,

${displaystyle V_{TO}}$ es tensión umbral para cero sesgo de sustrato,

${displaystyle gamma =left(t_{ox}/epsilon _{ox}right){sqrt {2qepsilon _{text{Si}}N_{A}}}}$ es el parámetro efecto del cuerpo,

${displaystyle t_{ox}}$ es el espesor del óxido,

${displaystyle epsilon _{ox}}$ es permiso de óxido,

${displaystyle epsilon _{text{Si}}}$ es el permiso de silicio,

${displaystyle N_{A}}$ es una concentración de dopaje,

${displaystyle q}$ es una carga primaria.

Dependencia del espesor del óxido

En un nodo tecnológico dado, como el proceso de 90 nm CMOS, el voltaje del umbral depende de la elección del óxido y de espesor de óxido. Usando las fórmulas del cuerpo arriba, ${displaystyle V_{TN}}$ es directamente proporcional a ${displaystyle gamma }$ , y ${displaystyle t_{OX}}$ , que es el parámetro para el espesor del óxido.

Por lo tanto, cuanto más fino sea el espesor del óxido, menor será el voltaje umbral. Aunque esto pueda parecer una mejora, no deja de tener un coste; porque cuanto más fino sea el espesor del óxido, mayor será la corriente de fuga por debajo del umbral a través del dispositivo. En consecuencia, la especificación de diseño para un espesor de óxido de puerta de 90 nm se estableció en 1 nm para controlar la corriente de fuga. Este tipo de túnel, llamado túnel Fowler-Nordheim.

{displaystyle I_{fn}=C_{1}WL(E_{ox})^{2}e^{-{frac {E_{0}}{E_{ox}}}}}

dónde;

${displaystyle C_{1}}$ y ${displaystyle E_{0}}$ son constantes,

${displaystyle E_{ox}}$ es el campo eléctrico a través del óxido de puerta.

Antes de reducir las características del diseño a 90 nm, una solución común a este problema era un enfoque de óxido dual para crear el espesor del óxido. Con una tecnología de proceso de 90 nm, en algunos casos se ha adoptado un enfoque de triple óxido. Se utiliza un óxido fino estándar para la mayoría de los transistores, otro para las celdas del controlador de E/S y un tercero para las celdas de transistores de memoria y paso. Estas diferencias se basan exclusivamente en las características del espesor del óxido en el voltaje umbral de las tecnologías CMOS.

Dependencia de la temperatura

Al igual que en el caso del espesor del óxido que afecta el voltaje umbral, la temperatura tiene un efecto en el voltaje umbral de un dispositivo CMOS. Ampliando parte de la ecuación en la sección de efectos corporales.

{displaystyle phi _{F}=left({frac {kT}{q}}right)ln {left({frac {N_{A}}{n_{i}}}right)}}

dónde;

${displaystyle phi _{F}}$ es la mitad del potencial de contacto,

${displaystyle k}$ es la constante de Boltzmann,

${displaystyle T}$ es temperatura,

${displaystyle q}$ es la carga primaria,

${displaystyle N_{A}}$ es un parámetro de dopaje,

${displaystyle n_{i}}$ es el parámetro de dopaje intrínseco para el sustrato.

Vemos que el potencial superficial tiene una relación directa con la temperatura. Mirando arriba, que el voltaje umbral no tiene una relación directa pero tampoco es independiente de los efectos. Esta variación suele estar entre −4 mV/K y −2 mV/K dependiendo del nivel de dopaje. Para un cambio de 30 °C, esto da como resultado una variación significativa con respecto al parámetro de diseño de 500 mV comúnmente utilizado para el nodo tecnológico de 90 nm.

Dependencia de la fluctuación aleatoria de dopantes

La fluctuación aleatoria de dopantes (RDF) es una forma de variación del proceso resultante de la variación en la concentración de impurezas implantadas. En los transistores MOSFET, el RDF en la región del canal puede alterar las propiedades del transistor, especialmente el voltaje umbral. En las tecnologías de proceso más nuevas, el RDF tiene un efecto mayor porque el número total de dopantes es menor.

Se están llevando a cabo trabajos de investigación para suprimir la fluctuación dopante que conduce a la variación del voltaje umbral entre dispositivos sometidos al mismo proceso de fabricación.

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