MOSFET-閾值電壓與溝道長和溝道寬的關系-KIA MOS管

閾值電壓（Threshold voltage）

通常將傳輸特性曲線中輸出電流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。

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

MOS管的閾值電壓等于背柵（backgate）和源極（source）接在一起時形成溝道（channel）需要的柵極（gate）對source偏置電壓。如果柵極對源極偏置電壓小于閾值電壓，就沒有溝道（channel）。

閾值電壓與溝道長和溝道寬的關系：

關于 MOSFET 的 W 和 L 對其閾值電壓 Vth 的影響，實際在考慮工藝相關因素后都是比較復雜，但是也可以有一些簡化的分析，這里主要還是分析當晶體管處在窄溝道和短溝道情況下，MOSFET 耗盡區的電荷的變化，從而分析其對晶體管的閾值電壓的作用。

Narrow channel 窄溝的分析

MOSFET 閾值電壓溝道

從上圖可以看到，決定 MOSFET 閾值電壓的耗盡層電荷，并不僅是在柵下區域的電荷 Qch；實際上在圖中耗盡區左右與表面相接處，還需要有額外的電荷 Qchw。

在晶體管的溝寬 W 較大時，Qchw 這一額外的電荷可以忽略；而當溝寬 W 較小時，Qchw 不能再忽略，使得等效的耗盡層電荷密度增加，MOS 管的閾值電壓升高，即如上面右圖所示。

實際上，窄溝導致的閾值電壓的變化也可以理解為在溝寬 W 方向的邊緣電場的電力線出現在溝道以外，因此需要更多的柵電壓來維持溝道開啟。

因此窄溝的效應實際上與具體的集成電路工藝，例如器件采用的隔離方式和隔離區域的摻雜濃度等關系很大。

對于 STI （shallow trench isolaTIon）隔離方式的 MOSFET，由于 STI wall 的作用，溝寬 W 方向的邊緣電場的電力線實際上是在溝道方向集中，因此會出現所謂的 inverse narrow-width effect，也即是隨著溝寬 W 的減小，閾值電壓隨之減小。

Short channel 短溝的分析

MOSFET 閾值電壓溝道