閾值電壓的計算

2020-12-08 電子發燒友

閾值電壓的計算

發表於 2017-11-27 17:18:43

　　閾值電壓

　　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折區的中點對應的輸入電壓稱為閾值電壓。在描述不同的器件時具有不同的參數。如描述場發射的特性時，電流達到10mA時的電壓被稱為閾值電壓。

　　如MOS管，當器件由耗盡向反型轉變時，要經歷一個 Si 表面電子濃度等於空穴濃度的狀態。此時器 件處於臨界導通狀態，器件的柵電壓定義為閾值電壓，它是MOSFET的重要參數之一。

　　一開始學習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上的，對於實際的器件，從線性區到飽和區的轉換是有一個過渡區的，此時對閾值電壓的定義需要遵循一定的標準。經常發生的一個問題是，不同工藝線中相類似的器件作比較時，因為沒有確定一個統一的標準，導致工藝的比較不是非常的科學準確。本文就對閾值電壓的定義方法作一些簡單的討論，嘗試對業界現在流行的方法作出更詳細的解釋。

     閾值電壓的計算方法

　　根據JEDEC STANDARD JESD-28的規定計算方法（JEDEC 14.2.2 –Hot Carrier Working Group --- June 15，1995），有兩種計算閾值電壓的方法：

　　

　　方法A易於操作，在早期的閾值電壓測試中常用，隨著工藝的先進，這種方法不夠準確，方法B逐漸開始採用，但實際上JEDEC定義的不夠準確，它是把VDS忽略掉了。正確的計算方法是，根據線性區的電流方程：

　

　　我用Hspice仿真的方法，用A、B兩種方法計算了某0.18um工藝中NMOS的閾值電壓，取VDS=0.1V。下面是計算結果：

　　1. W=1u， L=1u. 方法A：在波形圖上測量到ID=0.1uA時，VGS=0.356V，那麼VT（ci）=0.356V；ID=1uA時，VGS=0.467V 方法B.：在波形圖上測量到gm（max）=29.6u，此時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，VGS=0.361V，那麼VT（ci）=0.361V；ID=10uA時，VGS=0.471V； 方法B.：在波形圖上測量到gm（max）=311.4u，此時VGS=0.683V，此時ID＝68.11uA，代入公式（3），得到VT（ext）=0.414V。

　　同時用Hspice中的vth（）輸出，得到Vth=0.414V

　　三種計算方法得到的結果與上相同

　　還有一點，我一直反對直接將spice model中的VTH0——不是剛才我提到的hpsice計算出來的vth（）——作為器件的閾值電壓，我認為它只是借用了理想模型中的閾值電壓的概念，對應於該spice model中計算電性能的一個參數，也許它比較接近本文中定義的閾值電壓，但這並不表示它們是同一個數據。概念是很重要的，僅僅得到一個/一次看上去正確的結果是遠遠不夠的

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