थ्रेशोल्ड वोल्टेज

विपरीत चैनल (इलेक्ट्रॉन घनत्व) के गठन और नैनोवायर एमओएसएफईटी में थ्रेसहोल्ड वोल्टेज (IV) की प्राप्ति के लिए सिमुलेशन परिणाम। ध्यान दें कि y-अक्ष लॉगरिदमिक है, यह दर्शाता है कि प्रवाहकीय चैनल कनेक्ट होने पर थ्रेसहोल्ड वोल्टेज (लगभग 0.45 V) से बहुत कम मात्रा में धारा पास होता है।

क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी) की सीमा वोल्टेज, जिसे सामान्यतः V_th और V_GS(th) के रूप में संक्षिप्त किया जाता है, का न्यूनतम गेट-टू-सोर्स वोल्टेज (V_GS) जो स्रोत और निकास टर्मिनलों के बीच एक संवाहक पथ बनाने के लिए आवश्यक है। विद्युत दक्षता बनाए रखने के लिए यह एक महत्वपूर्ण स्केलिंग कारक है।

जेएफईटी जंक्शन क्षेत्र -इफेक्ट ट्रांजिस्टर (जेएफईटी) का जिक्र करते समय, सीमा वोल्टेज को अधिकांशतः इसके अतिरिक्त पिंच-ऑफ वोल्टेज कहा जाता है। यह कुछ सीमा तक अस्पष्ट करने वाला है क्योंकि आईजीएफईटी इन्सुलेटेड-गेट क्षेत्र -इफेक्ट ट्रांजिस्टर (आईजीएफईटी) पर प्रयुक्त पिंच ऑफ चैनल पिंचिंग को संदर्भित करता है जो उच्च स्रोत-ड्रेन बायस के तहत वर्तमान संतृप्ति व्यवहार की ओर जाता है, तथापि वर्तमान कभी बंद न हो पिंच ऑफ के विपरीत, सीमा वोल्टेज शब्द स्पष्ट है और किसी भी क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर में समान अवधारणा को संदर्भित करता है।

मूल सिद्धांत

एन-टाइप अर्धचालक एन-चैनल एन्हांसमेंट-मोड उपकरण में ट्रांजिस्टर के अंदर एक प्रवाहकीय चैनल स्वाभाविक रूप से उपस्थित नहीं होता है और ऐसा एक बनाने के लिए एक सकारात्मक गेट-टू-सोर्स वोल्टेज आवश्यक है। सकारात्मक वोल्टेज प्रवाहकीय चैनल बनाने गेट की ओर निकाय के अंदर फ्री-फ्लोटिंग इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करता है। किंतु पहले एफईटी के निकाय में जोड़े गए डोपेंट आयनों का विरोध करने के लिए पर्याप्त इलेक्ट्रॉनों को गेट के पास आकर्षित किया जाना चाहिए; यह एक ऐसा क्षेत्र बनाता है जिसमें कोई मोबाइल वाहक नहीं होता है जिसे कमी क्षेत्र कहा जाता है और जिस वोल्टेज पर यह होता है वह एफईटी का थ्रेशोल्ड वोल्टेज होता है। आगे गेट-टू-सोर्स वोल्टेज वृद्धि गेट की ओर और भी अधिक इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करेगी जो स्रोत से निकास तक एक प्रवाहकीय चैनल बनाने में सक्षम हैं; इस प्रक्रिया को विपरीत कहा जाता है। पी-चैनल एन्हांसमेंट-मोड एमओएस ट्रांजिस्टर के लिए प्रतिलोम सही है। जब V_GS = 0 उपकरण "बंद" है और चैनल विवर्त / गैर-संचालन है। पी-टाइप एन्हांसमेंट-मोड एमओएसएफईटी के लिए एक ऋणात्मक गेट वोल्टेज का अनुप्रयोग इसे "चालू" करने वाले चैनलों की चालकता को बढ़ाता है।

इसके विपरीत, एन-चैनल रिक्तीकरण-मोड उपकरणों में एक प्रवाहकीय चैनल होता है जो स्वाभाविक रूप से ट्रांजिस्टर के अंदर उपस्थित होता है। उसी के अनुसार, थ्रेशोल्ड वोल्टेज शब्द ऐसे उपकरणों को चालू करने के लिए आसानी से प्रयुक्त नहीं होता है, किंतु इसका उपयोग वोल्टेज स्तर को इंगित करने के लिए किया जाता है, जिस पर चैनल इतना चौड़ा होता है कि इलेक्ट्रॉनों को आसानी से प्रवाहित किया जा सके। यह आसानी से बहने वाला थ्रेशोल्ड पी-प्रकार अर्धचालक पी-चैनल डिप्लेशन-मोड उपकरण पर भी प्रयुक्त होता है, जिसमें गेट से बॉडी/स्रोत तक एक ऋणात्मक वोल्टेज गेट-इन्सुलेटर से सकारात्मक रूप से आवेश किए गए छिद्रों को विवश करके एक कमी परत बनाता है। / अर्धचालक इंटरफ़ेस, स्थिर, ऋणात्मक रूप से आवेश किए गए स्वीकर्ता आयनों के एक वाहक-मुक्त क्षेत्र को उजागर करता है।

एन-चैनल रिक्तीकरण एमओएस ट्रांजिस्टर के लिए, एक ऋणात्मक गेट-स्रोत वोल्टेज समाप्त हो जाएगा (इसलिए इसका नाम) ट्रांजिस्टर "ऑफ" स्विच करने वाले अपने मुक्त इलेक्ट्रॉनों के प्रवाहकीय चैनल इसी तरह एक पी-चैनल रिक्तीकरण-मोड एमओएस ट्रांजिस्टर के लिए एक सकारात्मक गेट-स्रोत वोल्टेज अपने मुक्त छिद्रों के चैनल को "बंद" कर देगा।

वाइड प्लानर ट्रांजिस्टर में थ्रेशोल्ड वोल्टेज ड्रेन-सोर्स वोल्टेज से अनिवार्य रूप से स्वतंत्र होता है और इसलिए यह एक अच्छी तरह से परिभाषित विशेषता है, चूंकि ड्रेन-प्रेरित बैरियर कम होने के कारण यह आधुनिक नैनोमीटर-आकार के एमओएसएफईटी में कम स्पष्ट है।

Depletion region of an enhancement-mode nMOSFET biased below the threshold

Depletion region of an enhancement-mode nMOSFET biased above the threshold with channel formed

आंकड़ों में, भारी डोप्ड (नीला) एन-क्षेत्रों को इंगित करने के लिए स्रोत (बाईं ओर) और निकास (दाईं ओर) को n+ लेबल किया गया है। कमी परत डोपेंट को N_A⁻ लेबल किया गया है यह इंगित करने के लिए कि (गुलाबी) अवक्षय परत में आयन ऋणात्मक रूप से आवेशित हैं और बहुत कम छिद्र हैं। (लाल) बल्क में छिद्रों की संख्या p = N_A बल्क आवेश को न्यूट्रल बनाना है।

यदि गेट वोल्टेज सीमा वोल्टेज (बाएं आंकड़ा) से नीचे है, तो एन्हांसमेंट-मोड ट्रांजिस्टर बंद हो जाता है और आदर्श रूप से निकास से ट्रांजिस्टर के स्रोत तक कोई विद्युत प्रवाह नहीं होता है। वास्तव में, थ्रेशोल्ड (सबथ्रेशोल्ड रिसाव ) धारा के नीचे गेट बायसेस के लिए भी एक धारा होता है, चूंकि यह छोटा होता है और गेट बायस के साथ घातीय रूप से भिन्न होता है। इसलिए, डेटाशीट वर्तमान की निर्दिष्ट औसत अंकित की मात्रा (सामान्यतः 250 μA या 1 mA) के अनुसार थ्रेसहोल्ड वोल्टेज निर्दिष्ट करेगी।

यदि गेट वोल्टेज थ्रेशोल्ड वोल्टेज (सही आंकड़ा) से ऊपर है, तो एन्हांसमेंट-मोड ट्रांजिस्टर चालू हो जाता है, क्योंकि ऑक्साइड-सिलिकॉन इंटरफ़ेस में चैनल में कई इलेक्ट्रॉन होते हैं, एक कम-प्रतिरोध चैनल बनाते हैं जहां से आवेश प्रवाहित हो सकता है। स्रोत के लिए निकास सीमा से अधिक अधिक वोल्टेज के लिए, इस स्थिति को शक्तिशाली विपरीत कहा जाता है। V_D > 0 जब चैनल टेप किया जाता है क्योंकि प्रतिरोधक चैनल में धारा के कारण वोल्टेज में गिरावट चैनल का समर्थन करने वाले ऑक्साइड क्षेत्र को कम कर देती है क्योंकि निकास से संपर्क किया जाता है।

शारीरिक प्रभाव

निकाय प्रभाव स्रोत-बल्क वोल्टेज $V_{SB}$ में परिवर्तन के समान राशि से थ्रेशोल्ड वोल्टेज में परिवर्तन है, क्योंकि निकाय सीमा वोल्टेज को प्रभावित करता है (जब यह स्रोत से बंधा नहीं होता है)। इसे दूसरे गेट के रूप में माना जा सकता है, और कभी-कभी इसे बैक गेट के रूप में संदर्भित किया जाता है, और उसी के अनुसार निकाय के प्रभाव को कभी-कभी बैक-गेट प्रभाव कहा जाता है।

एन्हांसमेंट-मोड एनएमओएस मोस्फेट के लिए, थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर निकाय के प्रभाव की गणना शिचमैन-होजेस मॉडल के अनुसार की जाती है, जो पुराने प्रोसेस नोड्स के लिए स्पष्ट है, निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करते हुए:

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

जहाँ ;

$V_{TN}$ सीमा वोल्टेज है जब सब्सट्रेट पूर्वाग्रह उपस्थित है,

$V_{SB}$ स्रोत-टू-बॉडी सब्सट्रेट पूर्वाग्रह है,

$2\phi _{F}$ सतह क्षमता है,

$V_{TO}$ शून्य सब्सट्रेट पूर्वाग्रह के लिए थ्रेसहोल्ड वोल्टेज है,

$\gamma =\left(t_{ox}/\epsilon _{ox}\right){\sqrt {2q\epsilon _{\text{Si}}N_{A}}}$ निकाय प्रभाव पैरामीटर है,

$t_{ox}$ ऑक्साइड की मोटाई है,

$\epsilon _{ox}$ ऑक्साइड परावैद्युतांक है,

$\epsilon _{\text{Si}}$ सिलिकॉन की पारगम्यता है,

$N_{A}$ एक डोपिंग एकाग्रता है,

$q$ प्राथमिक प्रभार है।

ऑक्साइड की मोटाई पर निर्भरता

किसी दिए गए प्रौद्योगिकी नोड में जैसे कि 90 नैनोमीटर | 90-एनएम सीएमओएस प्रक्रिया, थ्रेशोल्ड वोल्टेज ऑक्साइड की पसंद और ऑक्साइड की मोटाई पर निर्भर करता है। ऊपर दिए गए बॉडी सूत्रों का उपयोग करके, $V_{TN}$ के सीधे आनुपातिक है $\gamma$, और $t_{OX}$, जो ऑक्साइड मोटाई के लिए पैरामीटर है।

इस प्रकार ऑक्साइड की मोटाई जितनी पतली होगी, थ्रेशोल्ड वोल्टेज उतना ही कम होगा। चूंकि यह एक सुधार प्रतीत हो सकता है, यह बिना निवेश के नहीं है; क्योंकि ऑक्साइड की मोटाई जितनी पतली होगी, उपकरण के माध्यम से सबथ्रेशोल्ड लीकेज धारा उतना ही अधिक होगा। परिणाम स्वरुप , रिसाव वर्तमान को नियंत्रित करने के लिए 90-एनएम गेट-ऑक्साइड मोटाई के लिए डिजाइन विनिर्देश 1 एनएम पर सेट किया गया था। इस तरह की टनलिंग को फाउलर-नॉर्डहाइम टनलिंग कहा जाता है।

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

जहाँ ;

$C_{1}$ और $E_{0}$ स्थिर हैं,

$E_{ox}$ गेट ऑक्साइड के पार विद्युत क्षेत्र है।

डिज़ाइन सुविधाओं को 90 एनएम तक कम करने से पहले ऑक्साइड की मोटाई बनाने के लिए एक दोहरे ऑक्साइड दृष्टिकोण इस समस्या का एक सामान्य समाधान था। 90 एनएम प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के साथ, कुछ स्थितियों में ट्रिपल-ऑक्साइड दृष्टिकोण अपनाया गया है। अधिकांश ट्रांजिस्टर के लिए एक मानक थिन ऑक्साइड का उपयोग किया जाता है, दूसरा I/O ड्राइवर सेल के लिए और तीसरा मेमोरी-एंड-पास ट्रांजिस्टर सेल के लिए ये अंतर विशुद्ध रूप से सीएमओएस प्रौद्योगिकियों के थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर ऑक्साइड मोटाई की विशेषताओं पर आधारित हैं।

तापमान निर्भरता

जैसा कि थ्रेशोल्ड वोल्टेज को प्रभावित करने वाले ऑक्साइड की मोटाई के स्थिति में होता है, तापमान का सीएमओएस उपकरण के थ्रेशोल्ड वोल्टेज पर प्रभाव पड़ता है। मोस्फेट या निकाय प्रभाव सेक्शन में समीकरण के भाग का विस्तार

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

जहाँ ;

$\phi _{F}$ आधी संपर्क क्षमता है,

$k$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है,

$T$ तापमान है,

$q$ प्राथमिक शुल्क है,

$N_{A}$ डोपिंग पैरामीटर है,

$n_{i}$ सब्सट्रेट के लिए आंतरिक डोपिंग पैरामीटर है।

हम देखते हैं कि सतह की क्षमता का तापमान के साथ सीधा संबंध है। ऊपर देखते हुए, कि सीमा वोल्टेज का सीधा संबंध नहीं है, किंतु यह प्रभावों से स्वतंत्र नहीं है। डोपिंग स्तर के आधार पर यह भिन्नता सामान्यतः -4 mV/K और -2 mV/K के बीच होती है। 30 डिग्री सेल्सियस के परिवर्तन के लिए यह 90-एनएम प्रौद्योगिकी नोड के लिए सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले 500 एमवी डिजाइन पैरामीटर से महत्वपूर्ण भिन्नता का परिणाम है।

यादृच्छिक डोपेंट उतार-चढ़ाव पर निर्भरता

यादृच्छिक डोपेंट उतार-चढ़ाव (आरडीएफ) प्रत्यारोपित अशुद्धता एकाग्रता में भिन्नता के परिणामस्वरूप होने वाली प्रक्रिया भिन्नता का एक रूप है। एमओएसएफईटी ट्रांजिस्टर में, चैनल क्षेत्र में आरडीएफ ट्रांजिस्टर के गुणों, विशेष रूप से थ्रेसहोल्ड वोल्टेज को बदल सकता है। नई प्रक्रिया प्रौद्योगिकियों में आरडीएफ का बड़ा प्रभाव होता है क्योंकि डोपेंट की कुल संख्या कम होती है।

डोपेंट के उतार-चढ़ाव को दबाने के लिए अनुसंधान कार्य किए जा रहे हैं, जिससे एक ही निर्माण प्रक्रिया से गुजरने वाले उपकरणों के बीच थ्रेशोल्ड वोल्टेज में बदलाव होता है।

यह भी देखें

• एमओएसएफईटी या संरचना और चैनल निर्माण
• चैनल लंबाई मॉडुलन

बाहरी संबंध

• Online lecture on: Threshold Voltage and मोस्फेट Capacitances by Dr. Lundstrom