Voltaje umbral

El voltaje umbral , comúnmente abreviado como _Vth o _VGS(th) , de un transistor de efecto de campo (FET) es el voltaje mínimo entre puerta y fuente (VGS ₎ necesario para crear una trayectoria conductora entre los terminales de fuente y drenaje. Es un factor de escala importante para mantener la eficiencia energética.

Cuando se hace referencia a un transistor de efecto de campo de unión (JFET), la tensión umbral se suele denominar tensión de estrangulamiento . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Esto puede resultar algo confuso, ya que el término estrangulamiento aplicado a un transistor de efecto de campo de puerta aislada (IGFET) se refiere al estrangulamiento del canal que provoca la saturación de la corriente bajo una alta polarización fuente-drenador, aunque la corriente nunca se interrumpa. A diferencia del estrangulamiento , el término tensión umbral es inequívoco y se refiere al mismo concepto en cualquier transistor de efecto de campo.

En los dispositivos de modo de enriquecimiento de canal n , no existe un canal conductor de forma natural dentro del transistor. Sin V _GS , los iones dopantes añadidos al cuerpo del FET forman una región sin portadores móviles llamada región de agotamiento . Un V _GS positivo atrae a los electrones libres dentro del cuerpo hacia la compuerta. Pero se deben atraer suficientes electrones cerca de la compuerta para contrarrestar los iones dopantes y formar un canal conductor. Este proceso se llama inversión . El canal conductor conecta la fuente con el drenador en el voltaje umbral del FET . Aún más electrones son atraídos hacia la compuerta a valores más altos de V _GS , lo que ensancha el canal.

Lo contrario ocurre con el transistor MOS de canal p en modo de enriquecimiento. Cuando V _GS = 0, el dispositivo está apagado y el canal está abierto/no conductor. La aplicación de una tensión de puerta negativa al MOSFET de tipo p en modo de enriquecimiento aumenta la conductividad del canal, encendiéndolo.

En contraste, los dispositivos de modo de agotamiento de canal n poseen un canal conductor inherente al transistor. Por consiguiente, el término voltaje umbral no se aplica directamente al encendido de dichos dispositivos, sino que se utiliza para indicar el nivel de voltaje en el cual el canal es lo suficientemente ancho como para permitir el flujo de electrones con facilidad. Este umbral de facilidad de flujo también se aplica a los dispositivos de modo de agotamiento de canal p , en los que un voltaje negativo entre la compuerta y el sustrato/fuente crea una capa de agotamiento al alejar los huecos con carga positiva de la interfaz compuerta-aislante/semiconductor, dejando expuesta una región libre de portadores compuesta por iones aceptores inmóviles con carga negativa.

En el caso del transistor MOS de agotamiento de canal n, una tensión VGS negativa suficiente _agotará (de ahí su nombre) el canal conductor de sus electrones libres, apagando el transistor. Del mismo modo, en un transistor MOS de modo de agotamiento de canal p, una tensión positiva suficiente entre puerta y fuente agotará el canal de sus huecos libres, apagándolo.

En los transistores planares anchos, el voltaje umbral es esencialmente independiente del voltaje drenador-fuente (V _DS ) y, por lo tanto, es una característica bien definida; sin embargo, es menos claro en los MOSFET modernos de tamaño nanométrico debido a la reducción de la barrera inducida por el drenador .

Región de agotamiento de un nMOSFET de modo de enriquecimiento polarizado por debajo del umbral.

Región de agotamiento de un nMOSFET de modo de enriquecimiento polarizado por encima del umbral con canal formado

En las figuras, la fuente (izquierda) y el drenaje (derecha) están etiquetados como n+ para indicar regiones n fuertemente dopadas (azul). El dopante de la capa de agotamiento está etiquetado como N _A ⁻ para indicar que los iones en la capa de agotamiento (rosa) tienen carga negativa y hay muy pocos huecos. En el volumen (rojo), el número de huecos p  =  N _A hace que el volumen sea eléctricamente neutro.

Si la tensión de puerta está por debajo de la tensión umbral (figura de la izquierda), el transistor en modo de enriquecimiento se desactiva y, en teoría, no hay corriente entre el drenador y la fuente del transistor. Sin embargo, existe una corriente incluso para tensiones de puerta inferiores al umbral ( corriente de fuga subumbral ), aunque es pequeña y varía exponencialmente con la tensión de puerta. Por lo tanto, las hojas de datos especifican la tensión umbral en función de una cantidad de corriente medible determinada (normalmente 250 μA o 1 mA).

Si la tensión de puerta supera la tensión umbral (figura de la derecha), el transistor en modo de enriquecimiento se activa debido a la presencia de numerosos electrones en el canal, en la interfaz óxido-silicio, lo que crea un canal de baja resistencia por donde fluye la carga desde el drenador hasta la fuente. Para tensiones significativamente superiores al umbral, esta situación se denomina inversión fuerte. El canal se estrecha cuando V _D > 0, ya que la caída de tensión debida a la corriente en el canal resistivo reduce el campo de óxido que lo sustenta a medida que se aproxima al drenador.

El efecto de cuerpo es el cambio en el voltaje umbral en una cantidad aproximadamente igual al cambio en el voltaje fuente-sustrato,${\displaystyle V_{SB}}$, porque el cuerpo influye en el voltaje umbral (cuando no está conectado a la fuente). Puede considerarse como una segunda compuerta, y a veces se le denomina compuerta posterior , y por consiguiente, el efecto del cuerpo a veces se denomina efecto de compuerta posterior . ^{[ 3 ]}

Para un MOSFET nMOS de modo de enriquecimiento, el efecto del cuerpo sobre el voltaje umbral se calcula de acuerdo con el modelo de Shichman-Hodges, ^{[ 4 ]} que es preciso para nodos de proceso más antiguos, utilizando la siguiente ecuación:

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

dónde;

${\displaystyle V_{TN}}$es el voltaje umbral cuando hay polarización del sustrato,

${\displaystyle V_{SB}}$es el sesgo del sustrato de la fuente al cuerpo,

${\displaystyle 2\phi _{F}}$es el potencial superficial,

${\displaystyle V_{TO}}$es el voltaje umbral para polarización cero del sustrato,

${\displaystyle \gamma =\left(t_{ox}/\epsilon _{ox}\right){\sqrt {2q\epsilon _{\text{Si}}N_{A}}}}$es el parámetro de efecto corporal ,

${\displaystyle t_{ox}}$es el espesor del óxido,

${\displaystyle \epsilon _ {ox}}$es la permitividad del óxido,

${\displaystyle \epsilon _{\text{Si}}}$es la permitividad del silicio,

${\displaystyle N_{A}}$es una concentración de dopaje,

${\displaystyle q}$es carga elemental.

En un nodo tecnológico determinado, como el proceso CMOS de 90 nm , el voltaje umbral depende de la elección del óxido y del espesor del óxido . Usando las fórmulas de cuerpo anteriores,${\displaystyle V_{TN}}$es directamente proporcional a${\displaystyle \gamma }$, y${\displaystyle t_{OX}}$, que es el parámetro para el espesor del óxido.

Por lo tanto, cuanto menor sea el espesor del óxido, menor será la tensión umbral. Si bien esto puede parecer una mejora, no está exento de inconvenientes, ya que cuanto menor sea el espesor del óxido, mayor será la corriente de fuga subumbral a través del dispositivo. En consecuencia, la especificación de diseño para un espesor de óxido de puerta de 90 nm se estableció en 1  nm para controlar la corriente de fuga. ^{[ 5 ]} Este tipo de tunelización se denomina tunelización de Fowler-Nordheim. ^{[ 6 ]}

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

dónde;

${\displaystyle C_{1}}$y${\displaystyle E_{0}}$son constantes,

${\displaystyle E_{ox}}$es el campo eléctrico a través del óxido de la compuerta .

Antes de reducir las características de diseño a 90  nm, un enfoque de doble óxido para crear el espesor del óxido era una solución común a este problema. Con una tecnología de proceso de 90  nm  , en algunos casos se ha adoptado un enfoque de triple óxido. ^{[ 7 ]} Se utiliza un óxido delgado estándar para la mayoría de los transistores, otro para las celdas de controlador de E/S y un tercero para las celdas de transistor de memoria y paso. Estas diferencias se basan exclusivamente en las características del espesor del óxido en función del voltaje umbral de las tecnologías CMOS.

Al igual que ocurre con el espesor del óxido que afecta al voltaje umbral, la temperatura también influye en el voltaje umbral de un dispositivo CMOS. Ampliando parte de la ecuación en la sección de efectos de cuerpo

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

dónde;

${\displaystyle \phi _{F}}$es la mitad del potencial de contacto,

${\displaystyle k}$es la constante de Boltzmann ,

${\displaystyle T}$es la temperatura,

${\displaystyle q}$es la carga elemental ,

${\displaystyle N_{A}}$es un parámetro de dopaje,

${\displaystyle n_{i}}$es el parámetro de dopaje intrínseco del sustrato.

Observamos que el potencial superficial tiene una relación directa con la temperatura. Como se muestra arriba, el voltaje umbral no tiene una relación directa, pero tampoco es independiente de los efectos. Esta variación suele estar entre −4  mV/K y −2  mV/K, dependiendo del nivel de dopaje. ^{[ 8 ]} Para un cambio de 30  °C, esto resulta en una variación significativa con respecto al parámetro de diseño de 500  mV comúnmente utilizado para el nodo tecnológico de 90 nm.

La fluctuación aleatoria de dopantes (FAD) es una forma de variación del proceso que resulta de la variación en la concentración de impurezas implantadas. En los transistores MOSFET, la FAD en la región del canal puede alterar las propiedades del transistor, especialmente el voltaje umbral. En las tecnologías de proceso más recientes, la FAD tiene un mayor efecto debido a que el número total de dopantes es menor. ^{[ 9 ]}

Se están llevando a cabo trabajos de investigación para suprimir la fluctuación del dopante que conduce a la variación del voltaje umbral entre dispositivos sometidos al mismo proceso de fabricación. ^{[ 10 ]}

• Funcionamiento del MOSFET
• Modulación de la longitud del canal
• CMOS multiumbral

• Conferencia en línea sobre: ​​Voltaje umbral y capacitancias de MOSFET por el Dr. Lundstrom