閾値電圧

MOSFET電界効果トランジスタの一種)でのチャネル(電子密度)の形成と閾値電圧の印加のシミュレーション結果。このデバイスの閾値電圧はおよそ 0.45 Vである。

閾値電圧(しきいちでんあつ、Vth、英語:Threshold voltage、スレッショルド電圧スレッシュホールド電圧)とは、デジタル信号を H(もしくは 1)/L(もしくは 0)信号として検知するのに必要となるしきい値となる電位のことである。仕組みを簡単に言うと、トランジスタをスイッチングさせるのに必要な電圧である。

電界効果トランジスタ(FET)を例とすると、ソース-ドレイン間の伝導パスを形成するために印加されるゲート–ソース間電圧VGS (th)にかかる電圧の事である。このように、トランジスタを内蔵しているICが信号として認識するのに必要な信号グランド間の最低限電位など色んな場所で使用される。この電圧は、電力効率や信号を維持するためには、最も重要な数字である。

接合型電界効果トランジスタ(JFET)における閾値電圧は「ピンチオフ電圧」と呼ばれることもあるが、これは若干紛らわしい言い方である。なぜなら絶縁ゲート電界効果トランジスタ(IGFET)において「ピンチオフ」とは、ソース-ドレイン間バイアスが大きい場合の電流飽和挙動を示すチャネルピンチオフのことを指し、このとき電流はゼロでは無いためである。「ピンチオフ」とは違い「閾値電圧」と言う言葉には曖昧さは無く、他の電界効果トランジスタにおいても同じ考えを表している。

なお、MOS型のFET(MOSFET)の閾値電圧については、MOSダイオードの「エネルギーバンド図」の項を参照されたい。

基本原理

nチャネル エンハンスメント形 デバイスでは、トランジスタ内に伝導チャネルが自然に存在せず、伝導チャネルを作るためには正のゲート-ソース電圧が必要である。正の電圧によって自由電子をゲートに引きつけ、伝導チャネルを形成する。しかしまずFETの基板に加えられたアクセプターイオンを中和するために十分な電子がゲート近くに引きつけなければならない。これは空乏層と呼ばれる移動キャリアが存在しない領域を形成する。これが起きる電圧を、FETの閾値電圧と呼ぶ。さらにゲート-ソース間電圧を大きくすると、より多くの電子がゲートに引きつけられ、ソースからドレインに伝導チャネルを作ることができる。これを「反転」と呼ぶ。

一方でnチャネル デプレッション形 デバイスは、トランジスタ内に伝導チャネルが自然に存在する。その結果「閾値電圧」という言葉はそのようなデバイスをオンするために用いられないが、その代わり電子が容易に流れることができるために十分なチャネル幅になる電圧のことを意味する。この流れやすい閾値はpチャネル デプレッション形 デバイスでも用いられる。ゲートから基板/ソースへの正の電圧が正孔をゲート-絶縁体/半導体界面から引き離すことにより空乏層を作り、キャリアが無く固定された負電荷のアクセプターイオンのみが存在する領域を作る。

幅広い平面のトランジスタにおいて閾値電圧はドレイン-ソース電圧に本質的に依存せず、よく定義された特徴がある。しかし現代のナノサイズMOSFETではドレイン誘起障壁低下によりあまり明確ではない。

閾値電圧以下でのnMOSFETの空乏層
閾値電圧以上でのチャネルが形成されたnMOSFETの空乏層

図では、ソース(図の左側)とドレイン(図の右側)は、高濃度にドープされたn領域(青)を示すため「n+」と記してある。空乏層(ピンク)ではイオンは負に帯電しており、正孔がほとんど無いことを示すため「NA」と記してある。バルク(赤)では、正孔の数p = NAはバルク電荷を中性にする。

ゲート電圧が閾値電圧以下の場合(左図)、トランジスタはオフとなり、理想的にはトランジスタのドレインからソースへは電流は無い。実際は閾値電圧以下のゲート電圧でも小さい電流は存在し(サブスレッショルド電流)、ゲート電圧について指数関数的な変化する。

ゲート電圧が閾値電圧以上の場合(右図)、トランジスタはオンとなり、酸化膜-シリコン界面でのチャネルに多くの電子が存在するため、ドレインからソースへ電荷が流れることができる抵抗が小さいチャネルが作られる。閾値電圧を大きく上回る電圧では、この状況は強く反転していると呼ばれる。VD > 0の場合、チャネルは先細になる。なぜなら抵抗チャネルの電流による電圧降下は、ドレインに近づくにつれてチャネルを支える酸化物の電場を減少させるためである。

基板効果

基板効果とは、ソース-バルク電圧の変化にほぼ等しい大きさだけ閾値電圧が変化すること。(ソースは関係しない場合)基板が閾値電圧に影響するために起こる。基板は第二のゲートと考えることができるため「バックゲート」と呼ばれることもある。また基板効果は「バックゲート効果」と呼ばれることもある[1]

エンハンスメントモードNMOS MOSFETでは、閾値電圧の基板効果はShichman–Hodgesモデルで計算でき[2]、以前のプロセスノードでは正しく[要説明]、次の方程式を用いる。

ここでは基板バイアスが存在する場合の閾値電圧、はソース-基板バイアス、は表面ポテンシャル、は基板バイアスがゼロの場合の閾値電圧、は基板効果パラメータ、は酸化膜厚、は酸化膜の誘電率、はシリコンの誘電率、はドーピング濃度、電気素量である。

酸化膜厚の依存性

90 nmCMOSプロセスなどのテクノロジーノードでは、閾値電圧は酸化膜の種類と酸化膜厚に依存する。上述の基盤効果の式を用いると、に比例し、これは酸化膜厚のパラメータである。

よって酸化膜厚が薄くなると、閾値電圧は小さくなる。これは改良のように見えるが、代償が無いわけではない。酸化膜厚が薄くなれば、デバイスのサブスレッショルド電流も大きくなる。その結果、90nmゲート酸化膜厚の設計仕様は、リーク電流を制御するために1 nmとする[3]。この種のトンネル効果はFowler-Nordheimトンネル効果と呼ばれる[4]

ここでは一定で、はゲート酸化膜中の電場である。

設計構造が90 nm以下となる前は、酸化膜厚を作るデュアル酸化膜アプローチがこの問題の一般的な解決法であった。90 nmプロセス技術では、トリプル酸化膜アプローチが一部で適用された[5]。1つの標準酸化薄膜がトランジスタの大部分で使われ、別のものはI/Oドライバーセルに、さらに別のものはmemory-and-passトランジスタセルに用いられた。これらの違いは、CMOS技術の閾値電圧上の酸化膜厚の特性にのみ基づいている。

温度依存性

酸化膜厚が閾値電圧に影響するのと同様に、温度もCMOSデバイスの閾値電圧に影響する。基板効果の式の一部を展開すると、

ここでは接触電位の半分、ボルツマン定数は温度、電気素量はドーピングパラメータ、は基板の真性キャリア濃度である。

表面ポテンシャルは温度と直接的な関係であることがわかる。上を見ると、閾値電圧は直接的な関係はもたないが、しかし効果に無関係ではない。この変化はドーピングレベルに依存して一般的に−4 mV/Kと−2 mV/Kの間である[6]。30 °Cの変化では、これは90 nmテクノロジーノードで一般的に用いられる500 mV設計パラメータから大きく変わる。

ランダムドーパントゆらぎの依存性

ランダムドーパントゆらぎ(RDF)は、注入された不純物濃度の変動によるある種の過程の変動である。MOSFETにおいてチャネル領域のRDFは、トランジスタの特性、特に閾値電圧を変える。新しいプロセス技術において、RDFはより大きな効果を持つ。なぜならドーパントの総数は、少ないためである[7]

同じ製造プロセスを経験したデバイス間の閾値電圧の変動につながるドーパント変動を抑制するための研究が行われている[8]

出典

  1. ^ Marco Delaurenti, PhD dissertation, Design and optimization techniques of high-speed VLSI circuits (1999) Archived 2014-11-10 at the Wayback Machine.
  2. ^ NanoDotTek Report NDT14-08-2007, 12 August 2007
  3. ^ Sugii, T.; Watanabe, K.; Sugatani, S. (2003). “Transistor Design for 90-nm Generation and Beyond”. FUJITSU Sci. Technol. J. 39 (1): 9–22. https://www.fujitsu.com/global/documents/about/resources/publications/fstj/archives/vol39-1/paper03.pdf. 
  4. ^ S. M. Sze (1981). Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.). New York: Wiley and Sons. pp. 496–504. ISBN 978-0471056614 
  5. ^ Anil Telikepalli (2005年11月23日). “Power considerations in designing with 90 nm FPGAs”. EETimes. 2019年1月18日閲覧。
  6. ^ Weste and Eshraghian (1993). Principles of CMOS VLSI Design : a systems perspective (2nd ed.). pp. 48. ISBN 0-201-53376-6 
  7. ^ Asenov, A. (1998). “Random dopant induced threshold voltage lowering and fluctuations in sub-0.1 μm MOSFET's: A 3-D "atomistic" simulation study”. IEEE Transactions on Electron Devices 45 (12): 2505–2513. doi:10.1109/16.735728. 
  8. ^ Asenov, A.; Saini, S. (1999). “Suppression of random dopant-induced threshold voltage fluctuations in sub-0.1-μm MOSFET's with epitaxial and δ-doped channels”. IEEE Transactions on Electron Devices 46 (8): 1718–1724. doi:10.1109/16.777162. 

関連項目

外部リンク

Read other articles:

First edition (US) The Spike is a 1980 spy thriller novel by Arnaud de Borchgrave and Robert Moss (New York: Crown Publishers, 1980). Drawing on de Borchgrave's experience as a jet-setting Newsweek journalist and conservative Washington insider, it tells the story of a radical '60s journalist, Bob Hockney, who stumbles upon a Soviet plot for global supremacy by 1985. When he tries to expose the web of blackmail, sex and espionage, he's hamstrung by his editors' liberal media bias. In the news...

 

Justin Chang Justin Chang adalah sebuah kritikus film Amerika untuk Los Angeles Times. Masa kecil Justin Chang dibesarkan di California Selatan dan lulus dari Universitas California Selatan.[1] Chang mulai meminati kritik film saat di perguruan tinggi karena ia terbius dengan dua atau tiga (atau 40 atau 50) orang intelijen yang menyaksikan sebuah film dan keluar dengan reaksi yang sepenuhnya berbeda terhadapnya.[2] Referensi ^ Staff writer. Justin Chang. Los Angeles Times. Dia...

 

Honda Verza 150 Honda Verza 2013ProdusenAstra Honda Motor IndonesiaJuga disebutHonda GL5B1DFTahun Produksi2013–2018Model berikutnyaHonda CB150 VerzaKelasStandar / Naked / CommuterMesin150cc SOHC 4-langkah, Silinder tunggalDaya kuda9,72 kW (13,2 PS)/ 8.500 rpmTorsi12,7 Nm (1,29 kgf.m)/ 6.000 rpmSistem transmisi5 kecepatanSuspensidepan: garpu teleskopikbelakang: suspensi ganda/dual shockRemdepan: Cakram Hidrolik berdiameter dengan Piston Gandabelakang: tromolBandepan: 80/100 - 17 M/C 46Pbelak...

العلاقات السويدية الوسط أفريقية السويد جمهورية أفريقيا الوسطى   السويد   جمهورية أفريقيا الوسطى تعديل مصدري - تعديل   العلاقات السويدية الوسط أفريقية هي العلاقات الثنائية التي تجمع بين السويد وجمهورية أفريقيا الوسطى.[1][2][3][4][5] مقارنة بين ...

 

Indian cricketer (born 1991) Krunal PandyaPersonal informationFull nameKrunal Himanshu PandyaBorn (1991-03-24) 24 March 1991 (age 33)Ahmedabad, Gujarat, IndiaBattingLeft-handedBowlingSlow left arm orthodoxRoleAll-rounderRelationsHardik Pandya (brother)International information National sideIndia (2018–2021)ODI debut (cap 233)23 March 2021 v EnglandLast ODI23 July 2021 v Sri LankaODI shirt no.36T20I debut (cap 78)4 November 2018 v Wes...

 

Fokker 70Austrian Arrows Fokker 70TipeAirlinerTerbang perdana4 April 1993DiperkenalkanOktober 1994 dengan Ford Motor CompanyPengguna utamaKLM CityhopperPengguna lainTyrolean Airways CarpatairJumlah produksi47 (+1 purwarupa)Acuan dasarFokker 100 Fokker 70 merupakan sebuah pesawat yang dibuat oleh Fokker. Pesawat ini dahulu merupakan pesawat paling populer di Eropa untuk waktu yang lama. Fokker 70 pertama kali mengudara pada 1993. Fokker 70 adalah versi yang lebih kecil dari Fokker 100. Pesawat...

Pour les articles homonymes, voir DOI. Département de l'Intérieur des États-Unis(en) United States Department of the Interior Sceau du département de l'Intérieur. Siège du département de l'Intérieur. Création 3 mars 1849 Mise en service 8 mars 1849 Siège Main Interior Building (en)1849 C Street NWWashington Coordonnées 38° 53′ 37″ nord, 77° 02′ 33″ ouest Secrétaire à l'Intérieur Deb Haaland Budget 20 milliards de dollars (2010) ...

 

Halaman sampul edisi pertama Mazmur Jenewa tahun 1539 Mazmur Jenewa adalah kumpulan lagu-lagu Mazmur yang diprakarsai oleh Yohanes Calvin dan teman-temannya.[1] Mazmur ini disebut Mazmur Jenewa karena Mazmur ini dirumuskan di kota Jenewa, Swiss.[2] Dalam sebuah artikel peraturan gerejawi yang dikeluarkan pada tahun 1537, Calvin meminta sebuah dewan untuk mengadposi 150 nyanyian Mazmur untuk dinyanyikan oleh jemaat.[1] Sejarah Yohanes Calvin, salah satu penggagas sekali...

 

1 Korintus 5Surat 1 Korintus 7:33-8:4 yang tertulis pada naskah Papirus 15, dibuat sekitar abad ke-3 M.KitabSurat 1 KorintusKategoriSurat-surat PaulusBagian Alkitab KristenPerjanjian BaruUrutan dalamKitab Kristen7← pasal 4 pasal 6 → 1 Korintus 5 (atau I Korintus 5, disingkat 1Kor 5) adalah bagian surat rasul Paulus yang pertama kepada jemaat di Korintus dalam Perjanjian Baru di Alkitab Kristen.[1][2] Dikarang oleh rasul Paulus dan Sostenes[3] di Efesus.[...

Željko Brkić Informasi pribadiNama lengkap Željko BrkićTanggal lahir 9 Juli 1986 (umur 37)Tempat lahir Novi Sad, SFR YugoslaviaTinggi 1,97 m (6 ft 5+1⁄2 in)Posisi bermain Penjaga gawangInformasi klubKlub saat ini Cagliari (pinjaman dari Udinese)Nomor 1Karier junior Indeks Novi Sad FK VojvodinaKarier senior*Tahun Tim Tampil (Gol)2004–2011 Vojvodina 96 (0)2005-2007 → Proleter Novi Sad (pinjaman) 31 (0)2011– Udinese 42 (0)2011–2012 → Siena (pinjaman) 18 (...

 

Lage Raho Munna BhaiPoster rilis teatrikalSutradaraRajkumar HiraniProduserVidhu Vinod ChopraSkenarioRajkumar HiraniAbhijat JoshiCeritaRajkumar HiraniVidhu Vinod ChopraPemeranSanjay DuttArshad WarsiVidya BalanBoman IraniDilip PrabhavalkarDia MirzaJimmy ShergillKulbhushan KharbandaSaurabh ShuklaPenata musikShantanu MoitraSinematograferC. K. MuraleedharanPenyuntingRajkumar HiraniDistributorVinod Chopra ProductionsTanggal rilis 1 September 2006 (2006-09-01) [1]Durasi144 menitNe...

 

His Excellency赫瓦贾·纳齐姆丁爵士খাজা নাজিমুদ্দীন خواجہ ناظِمُ الدّین‬‎CIE, KCIE摄于1948年第2任巴基斯坦總理任期1951年10月17日—1953年4月17日君主佐治六世伊莉沙白二世总督古拉姆·穆罕默德前任利雅卡特·阿里·汗继任Mohammad Ali Bogra(英语:Mohammad Ali Bogra)第2任巴基斯坦總督(英语:Governor-General of Pakistan)任期1948年9月14日—1951年10月17日君�...

Dolphin Entertainment, Inc.Company typePublicTraded asNasdaq: DLPNRussell Microcap Index componentIndustry Mass media Entertainment Founded1996; 28 years ago (1996)FounderBill O'DowdHeadquartersCoral Gables, Florida, United StatesWebsitedolphinentertainment.com Dolphin Entertainment, Inc. is an American entertainment marketing and production company that is located in Coral Gables, Florida. It was founded in 1996 by CEO Bill O'Dowd. Dolphin produces children and young-a...

 

  القمر الصناعي لمسح الكواكب خارج المجموعة الشمسية العابرةTransiting Exoplanet Survey Satellite القمر الصناعي لمسح الكواكب العابرة خارج المجموعة الشمسيةArtist concept of TESS القمر الصناعي لمسح الكواكب العابرة خارج المجموعة الشمسيةشعار طبيعة المهمة مقراب فضائي[1][2] المشغل ناسا / MIT ر�...

 

Legislative branch of the state government of Oklahoma For the current session, see 59th Oklahoma Legislature. Oklahoma Legislature59th Oklahoma LegislatureSeal of OklahomaTypeTypeBicameral HousesSenate House of RepresentativesTerm limits12 year cumulative total, in either or both chambersHistoryNew session startedJanuary 3, 2023LeadershipPresident of the SenateMatt Pinnell (R) since January 14, 2019 President Pro Tem of the SenateGreg Treat (R) since January 8, 2019 Speaker of the Ho...

British mathematician Keith J. DevlinKeith Devlin (2011)Born16 March 1947 (1947-03-16) (age 77)[1][2]Hull, England[3][4]NationalityBritish and AmericanAlma materKing's College London, University of BristolScientific careerFieldsMathematicsInstitutionsStanford University, King's College London, University of Bristol, University of Manchester, University of Aberdeen, University of Oslo, University of Heidelberg, University of Bonn, University of To...

 

U.S. cities with significant Korean-American populationsKorean signs in Koreatown, Manhattan in 2013 Cities with significant Korean American populations represent municipalities with critical masses of Korean Americans in their total urban or suburban populations. Information is based on the 2005-2009 American Community Survey or as specified in each table. The list includes those who have emigrated from South Korea as well as Korean Americans of multiple generations. There are numbers of No...

 

This article uses bare URLs, which are uninformative and vulnerable to link rot. Please consider converting them to full citations to ensure the article remains verifiable and maintains a consistent citation style. Several templates and tools are available to assist in formatting, such as reFill (documentation) and Citation bot (documentation). (August 2022) (Learn how and when to remove this message) This article needs additional citations for verification. Please help improve this article b...

Pemilihan umum Bupati Blora 20242020202927 November 2024Kandidat Peta persebaran suara Bupati & Wakil Bupati petahanaArief Rohman dan Tri Yuli Setyowati PKB Bupati & Wakil Bupati terpilih belum diketahui Pemilihan umum Bupati Blora 2024 dilaksanakan pada 27 November 2024 untuk memilih Bupati Blora periode 2024-2029.[1] Pemilihan Bupati (Pilbup) Blora tahun tersebut akan diselenggarakan setelah Pemilihan umum Presiden Indonesia 2024 (Pilpres) dan Pemilihan umum legislatif Indo...

 

Action of recording the keys struck on a keyboard Keystroke logging, often referred to as keylogging or keyboard capturing, is the action of recording (logging) the keys struck on a keyboard,[1][2] typically covertly, so that a person using the keyboard is unaware that their actions are being monitored. Data can then be retrieved by the person operating the logging program. A keystroke recorder or keylogger can be either software or hardware. While the programs themselves are ...