電晶體閾值電壓

耗盡型JFET的溝道摻雜濃度越高, 原始溝道越寬,則夾斷電壓就越高;溫度升高時,由於本徵載流子濃度的提高和柵結內建電勢的減小, 則夾斷電壓降低。

電晶體閾值電壓(threshold voltage):
場效應電晶體(FET)的閾值電壓就是指耗盡型FET的夾斷電壓與增強型FET的開啟電壓
(1)對於JFET:
對於長溝道JFET,一般只有耗盡型的器件;SIT(靜電感應電晶體)也可以看成為一種短溝道JFET,該器件就是增強型的器件。
(2)對於MOSFET:
*增強型MOSFET的閾值電壓VT是指剛剛產生出溝道(表面強反型層)時的外加柵電壓。
①對於理想的增強型MOSFET(即系統中不含有任何電荷狀態,在柵電壓Vgs = 0時,半導體表面的能帶為平帶狀態),閾值電壓可給出為VT = ( SiO2層上的電壓Vi ) + 2ψb = -[2εεo q Na ( 2ψb )] / Ci + 2ψb ,式中Vi ≈ (耗盡層電荷Qb) / Ci,Qb =-( 2εεo q Na [ 2ψb ] ),Ci是單位面積的SiO2電容,ψb是半導體的Fermi勢(等於本徵Fermi能級Ei與Ef之差)。
②對於實際的增強型MOSFET,由於金屬-半導體功函式差φms 和Si-SiO2系統中電荷的影響, 在Vgs = 0時半導體表面能帶即已經發生了彎曲,從而需要另外再加上一定的電壓——“平帶電壓”才能使表面附近的能帶與體內拉平。
因為金屬-半導體的功函式差可以用Fermi勢來表示:φms = (柵金屬的Fermi勢ψG )-(半導體的Fermi勢ψB ) ,ψb = ( kT/q ) ln(Na/ni) ,對多晶矽柵電極(通常是高摻雜),ψg≈±0.56 V [+用於p型, -用於n型柵]。而且SiO2/Si 系統內部和界面的電荷的影響可用有效界面電荷Qf表示。從而可給出平帶電壓為 Vfb = φms-Qf /Ci 。
所以,實際MOSFET的閾值電壓為VT = -[2εεo q Na ( 2ψb )] /Ci + 2ψb +φms-Qf /Ci 。
進一步,若當半導體襯底還加有反向偏壓Vbs時,則將使溝道下面的耗盡層寬度有一定的增厚, 從而使閾值電壓變化為:VT = -[2εεo q Na ( 2ψb+Vbs )] /Ci + 2ψb +φms-Qf /Ci 。
在製造MOSFET時,為了獲得所需要的VT值和使VT值穩定,就需要採取若干有效的技術措施;這裡主要是控制Si-SiO2系統中電荷Qf :其中的固定正電荷(直接影響到VT值的大小) 與半導體表面狀態和氧化速度等有關(可達到<1012/cm2); 而可動電荷 (影響到VT值的穩定性) 與Na+等的沾污有關。因此特別需要注意在氧化等高溫工藝過程中的清潔度。
*耗盡型MOSFET的閾值電壓VT是指剛好夾斷溝道時的柵極電壓。情況與增強型器件的類似。
(3)對於BJT,閾值電壓VTB是指輸出電流Ic等於某一定值Ict (如1mA) 時的Vbe值。由VTB = (kT/q) ln(Ict/Isn) 得知:a)凡是能導致Ic發生明顯變化的因素 (如摻雜濃度和結面積等),卻對VTB影響不大,則BJT的VTB可控性較好;b) VTB 對於溫度很敏感,將隨著溫度的升高而靈敏地降低,則可用VTB值來感測溫度。

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