使沟道源端强反型时的栅源电压称为MOSFET的阈值电压nmos：VTn ， pmos：VTp ）,Threshold voltage,§4、MOSFET的阈值电压,MOSFET阈值电压的定义:,本节讨论长沟道MOSFET的阈值电压，假定：,衬底均匀掺杂 强反型近似成立 MOS结构的非理想效应用平带电压VFB 表示,PMOS,用平带电压表征非理想因素,NMOS,MOSFET的阈值电压：使沟道源端强反型时的栅源电压,长沟道MOSFET的阈值电压,影响阈值电压的因素,金半接触电势差,氧化层中正电荷面密度，单位: 库仑/cm2,半导体费米势（与衬底掺杂浓度有关）,衬底掺杂浓度,单位面积栅氧化层电容,衬底偏压,金－半接触电势差及影响,MOS系统三种材料在分离时的能带图,考虑金半接触时的能带图（栅偏压为零）,Al栅，Al的功函数4.1eV，Si的亲和能4.05eV,NMOS:,PMOS:,使P型半导体表面耗尽或反型,使N型半导体表面积累,Al栅方块电阻：几个 mΩ/□ ，Al栅工艺的缺陷,多晶硅栅,n+poly-si, 方块电阻～15,欧姆掺杂浓度,nmos:,使表面耗尽或反型,pmos:,使表面多子积累,p+poly-si, 方块电阻～25欧姆,掺杂浓度,nmos:,使表面多子积累,pmos:,使表面耗尽或反型,近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同,SiO2中的电荷： 固定正电荷 可动正电荷 陷阱电荷 界面陷阱电荷,氧化层电荷及影响,热生长的氧化层中电荷中心的特点和位置,氧化层电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因，其大小（单位面积上的电荷密度）与晶向和氧化层生长工艺有关。
在器件分析中，氧化层中的各种电荷用薄层电荷等效，并假定其位于Si-SiO2界面单位面积的氧化层等效电荷,氧化层电荷对平带电压的贡献为,通常要求,考虑到金半功函数差后，平带电压为,阈值电压表示为,衬底掺杂浓度对阈值的影响,衬底掺杂浓度NB 通过QB来影响VT NB越大，越不容易反型,氧化层厚度的影响,氧化层厚度增加，会导致VT增加此方法广泛应用于MOS管之间的隔离提高场区寄生MOS管的阈值电压：场注入＋厚的场氧化层,栅氧 场氧,,,,,P-Si衬底,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,互连线,寄生沟道,,,,,,有源区、场区,体效应（Body Effect）,在MOS电路中，有些MOS管的源极接输出端，其电位是变化的 有意在体端加偏压MOS管通常源和衬底短接，但是有两种情况会造成衬底相对与源端有一个偏置电压,衬底偏压对阈值电压的影响称为体效应（也称为衬偏效应或背栅效应）Substrate bias effect on VT,1、衬底加偏压后，转移曲线的形状（斜率）并没有改变，而只是随VSB的增大向右平移，表明VT的绝对值随VSB的增加而增加2、当VDS一定时，ID随VSB的增加而减小，即沟道电导随VSB的增加而减小。
背栅使表面反型点从二倍费米势变到：,,,强反型时的栅体电压为,强反型时的栅源电压即阈值电压为,定义VBS=0时的阈值电压为,考虑到VBS的影响，通常把VT写成：,Body factor,衬底偏压使耗尽层展宽，导致nmos的VTn增加（向正方向移动），而pmos的VTp更负（向负方向移动） 除非应用，否则应尽量避免体效应，即应使体效应因子最小）,阈值电压的设计（1）,阈值电压的调制方法： 用离子注入工艺，在半导体表面处精确注入一定数目的硼或磷离子，以调制半导体表面的杂质浓度 当MOS器件偏置在耗尽或反型时，注入的杂质会叠加到氧化层－半导体界面附近的电离杂质电荷上，从而改变VT阈值电压的设计（2）,,计算注入后的阈值电压：离子注入形成的杂质沿注入方向是Gauss分布，直接用其计算VT比较复杂考虑到实际中调制注入的深度一般比较浅，用Delta函数近似实际的分布：认为注入的杂质全部位于Si-SiO2界面无限薄的薄层硅中注入剂量，单位面积（每平方厘米）离子数目,,,阈值电压的设计（3）,Delta近似：认为是在氧化层－半导体界面引入附加的固定电荷，类似氧化物固定电荷的分析，可以得到由于注入引起的阈值电压的漂移为：,＋：注入受主杂质，B －：注入施主杂质，P DI：注入剂量，QI ：注入电荷/cm2,硼注入会导致阈值电压正漂移（变得更正），磷注入会时阈值电压负漂移（变得更负）。
Boron Ion-implanted, the VTn After implant is,,Example 考虑一个NMOSFET，NB=1015cm-3，Tox=150A，平带电压VFB=-0.91V，求使阈值电压VT=1V所需要注入杂质种类和注入剂量 Solution,。