閾值電壓
編輯場效應晶體管 (FET) 的閾值電壓通常縮寫為 Vth 或 VGS(th),是在源極端子和漏極端子之間形成導電路徑所需的最小柵源電壓 (VGS)。 它是保持電源效率的重要比例因子。
當提及結型場效應晶體管 (JFET) 時,閾值電壓通常稱為夾斷電壓。 這有點令人困惑,因為應用于絕緣柵場效應晶體管 (IGFET) 的夾斷是指在高源-漏偏壓下導致電流飽和行為的溝道夾斷,即使電流從未關閉。 與夾斷不同,閾值電壓一詞是明確的,在任何場效應晶體管中都指代相同的概念。
基本原則
編輯在 n 溝道增強型器件中,晶體管內自然不存在導電溝道,需要正柵極到源極電壓才能創建這樣的溝道。 正電壓將體內自由漂浮的電子吸引到柵極,形成導電通道。 但首先,必須在柵極附近吸引足夠的電子,以抵消添加到 FET 主體的摻雜離子; 這形成了一個沒有移動載流子的區域,稱為耗盡區,發生這種情況的電壓是 FET 的閾值電壓。 進一步增加柵極到源極電壓將吸引更多電子到柵極,從而能夠創建從源極到漏極的導電溝道; 這個過程稱為反轉。 p 溝道增強型 MOS 晶體管則相反。 當 VGS = 0 時,設備處于“關閉”狀態,通道打開/不導通。 向 p 型增強型 MOSFET 施加負柵極電壓可增強通道導電性,使其“導通”。
相反,n 溝道耗盡型器件具有自然存在于晶體管內的導電溝道。 因此,術語閾值電壓并不容易適用于開啟此類設備,而是用來表示溝道足夠寬以允許電子輕松流動的電壓電平。 這種易流動閾值也適用于 p 溝道耗盡型器件,其中從柵極到主體/源極的負電壓通過迫使帶正電的空穴遠離柵極-絕緣體/半導體界面而產生耗盡層,留下 暴露了一個固定的、帶負電荷的受體離子的無載流子區域。
對于 n 溝道耗盡型 MOS 晶體管,負柵極-源極電壓將耗盡(因此得名)其自由電子的導電溝道,從而將晶體管“關閉”。 同樣,對于 p 溝道耗盡型 MOS 晶體管,正柵極 - 源極電壓將耗盡其自由空穴的溝道,使其“關閉”。
在寬平面晶體管中,閾值電壓基本上獨立于漏源電壓,因此是一個明確定義的特性,但由于漏極引起的勢壘降低,在現代納米尺寸的 MOSFET 中它不太清楚。
在圖中,源極(左側)和漏極(右側)標記為 n+,表示重摻雜(藍色)n 區。 耗盡層摻雜劑標記為 NA-,表示(粉紅色)耗盡層中的離子帶負電,空穴非常少。 在(紅色)體積中,孔的數量 p = NA 使體積電荷中性。
如果柵極電壓低于閾值電壓(左圖),增強型晶體管將關閉,理想情況下晶體管的漏極到源極之間沒有電流。 事實上,即使柵極偏置電流低于閾值(亞閾值泄漏)電流,也存在電流,盡管它很小并且隨柵極偏置呈指數變化。 因此,數據表將根據指定的可測量電流量(通常為 250 μA 或 1 mA)指定閾值電壓。
如果柵極電壓高于閾值電壓(右圖),則增強型晶體管導通,因為在氧化硅界面的溝道中有很多電子,形成一個低電阻溝道,電荷可以從中流出 排到源頭。 對于明顯高于閾值的電壓,這種情況稱為強反轉。 當 VD >; 時,通道呈錐形。因為電阻通道中的電流導致的電壓降會在接近漏極時減少支持通道的氧化場。
身體效應
編輯體效應是閾值電壓的變化量大約等于源體電壓 V S B {\displaystyle V_{SB}} 的變化量,因為體會影響閾值電壓(當它沒有連接到 來源)。 它可以被認為是第二個門,有時也稱為背門,因此體效應有時也稱為背門效應。
對于增強型 nMOS MOSFET,計算體效應對閾值電壓的影響
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