如何准确计算场效应晶体管的阈值电压？

摘要： 阈值电压（Threshold voltage）是指半导体器件在特定条件下从截止状态转变为导通状态所需的最小电压值，是半导体器件的重要参数之一，它直接影响器件的性能和应用范围，因此准...

阈值电压（Threshold voltage）是指半导体器件在特定条件下从截止状态转变为导通状态所需的最小电压值，是半导体器件的重要参数之一，它直接影响器件的性能和应用范围，因此准确计算和理解阈值电压至关重要，以下将详细介绍阈值电压的计算方法：

1、基本公式

场效应晶体管（FET）：

阈值电压的计算公式为Vth = Vgs Vds（Id = 0），其中Vth表示阈值电压；Vgs表示栅极电压；Vds表示漏极电压；Id表示漏极电流。

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）：

阈值电压的计算公式为Vth = Vfb + 2φf + γ(2ϕf Vsb) 2ϕf，其中Vth表示阈值电压；Vfb表示平衡电位；φf表示表面电位；γ表示摩尔电容；Vsb表示源极电压。

2、实验测定法

步骤概述：

在器件的栅极和源极之间加上一定的电压，然后测定漏电流和栅极电压之间的关系曲线，从曲线上可以得到阈值电压的值。

具体实施：

通过Hspice仿真的方法，用A、B两种方法计算某0.18um工艺中NMOS的阈值电压，取VDS=0.1V。

方法A：在波形图上测量到ID=0.1uA时，VGS=0.356V，那么VT（ci）=0.356V；ID=1uA时，VGS=0.467V。

方法B：在波形图上测量到gm（max）=29.6u，此时VGS约为0.675~0.679V，就取此值作为阈值电压。

3、JEDEC标准方法

恒电流法（Constant current threshold voltage）：

在一定宽长比下，电流达到归一化的100nA所对应的电压即为阈值电压。

外推法（Extrapolated threshold voltage）：

通过IV曲线找到跨导最大值点，并求出该点的电压值作为阈值电压，这种方法理论上更准确，但操作复杂。

4、影响因素

材料特性：

材料的费米势、表面电位等都会影响阈值电压的大小。

器件结构：

MOSFET中的栅极材料和掺杂浓度、BJT中的控制区厚度和掺杂浓度等都会影响阈值电压。

制造工艺：

不同的制造工艺会导致同一类型器件的阈值电压有所不同。

阈值电压的计算涉及多种方法和理论公式，实际应用中需要根据具体情况选择合适的方法，了解和掌握这些计算方法对于设计和优化半导体器件具有重要意义。