جهد العتبة

يُعرف جهد العتبة ، الذي يُختصر عادةً بـ Vth _أو VGS _(th) ، لترانزستور تأثير المجال (FET) بأنه الحد الأدنى لجهد البوابة-المصدر (VGS ₎ اللازم لإنشاء مسار موصل بين طرفي المصدر والمصب. وهو عامل مهم في عملية التصنيع للحفاظ على كفاءة الطاقة.

عند الإشارة إلى ترانزستور تأثير المجال ذي الوصلة (JFET)، يُطلق على جهد العتبة غالبًا اسم جهد الانقطاع . ^{[ 1 ] [ 2 ]} وهذا قد يُسبب بعض الالتباس، إذ أن مصطلح "الانقطاع" في ترانزستور تأثير المجال ذي البوابة المعزولة (IGFET) يُشير إلى انضغاط القناة الذي يؤدي إلى تشبع التيار تحت تأثير انحياز عالٍ بين المصدر والمصب، على الرغم من أن التيار لا ينقطع أبدًا. وعلى عكس مصطلح "الانقطاع " ، فإن مصطلح " جهد العتبة" واضح لا لبس فيه، ويُشير إلى المفهوم نفسه في أي ترانزستور تأثير مجال.

في أجهزة الترانزستورات ذات القناة السالبة من نوع التحسين ، لا توجد قناة موصلة بشكل طبيعي داخل الترانزستور. عند انعدام جهد البوابة-المصدر (V_{_GS )} ، تُشكّل أيونات التطعيم المضافة إلى جسم الترانزستور منطقة خالية من حاملات الشحنة المتحركة تُسمى منطقة الاستنزاف . يجذب جهد البوابة-المصدر الموجب الإلكترونات الحرة داخل الجسم نحو البوابة. ولكن يجب جذب عدد كافٍ من الإلكترونات بالقرب من البوابة لموازنة أيونات التطعيم وتشكيل قناة موصلة. تُسمى هذه العملية بالانعكاس . تتصل القناة الموصلة من المصدر إلى المصرف عند جهد عتبة الترانزستور . يزداد انجذاب الإلكترونات نحو البوابة عند قيم V_{_GS} الأعلى ، مما يؤدي إلى توسيع القناة.

ينطبق العكس على ترانزستور MOS ذي القناة p من نوع "وضع التحسين". فعندما يكون _{جهد البوابة VGS} يساوي صفرًا، يكون الجهاز في حالة "إيقاف" وتكون القناة مفتوحة/غير موصلة. يؤدي تطبيق جهد بوابة سالب على ترانزستور MOSFET من نوع p من نوع "وضع التحسين" إلى تحسين موصلية القناة، مما يجعله في حالة "تشغيل".

على النقيض من ذلك، تتميز أجهزة نمط الاستنزاف ذات القناة السالبة بوجود قناة موصلة طبيعية داخل الترانزستور. وعليه، لا يُستخدم مصطلح جهد العتبة لتشغيل هذه الأجهزة، بل يُستخدم للدلالة على مستوى الجهد الذي تكون عنده القناة واسعة بما يكفي للسماح بتدفق الإلكترونات بسهولة. وينطبق هذا الحد الأدنى لتدفق الإلكترونات أيضًا على أجهزة نمط الاستنزاف ذات القناة الموجبة ، حيث يُنشئ جهد سالب من البوابة إلى الجسم/المصدر طبقة استنزاف عن طريق إبعاد الثقوب الموجبة الشحنة عن سطح التلامس بين البوابة والعازل/شبه الموصل، مما يُعرّض منطقة خالية من حاملات الشحنة تتكون من أيونات مستقبلة سالبة الشحنة وغير متحركة.

في ترانزستور MOS ذي القناة السالبة من نوع الاستنزاف، يؤدي تطبيق جهد سالب كافٍ بين البوابة والمصدر (VGS ₎ إلى استنزاف القناة الموصلة من الإلكترونات الحرة (ومن هنا جاءت تسميته)، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الترانزستور. وبالمثل، في ترانزستور MOS ذي القناة الموجبة من نوع الاستنزاف، يؤدي تطبيق جهد موجب كافٍ بين البوابة والمصدر إلى استنزاف القناة من الثقوب الحرة، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيله.

في الترانزستورات المستوية العريضة، يكون جهد العتبة مستقلاً بشكل أساسي عن جهد المصدر-المصرف (V _DS ) وبالتالي فهو سمة محددة جيدًا، ومع ذلك فهو أقل وضوحًا في MOSFETs الحديثة ذات الحجم النانومتر بسبب انخفاض الحاجز الناجم عن المصرف .

منطقة الاستنزاف في ترانزستور nMOSFET ذي نمط التحسين المنحاز أسفل العتبة

منطقة الاستنزاف في ترانزستور MOSFET من نوع n ذي نمط التحسين، والذي تم تحيزه فوق العتبة مع تشكيل القناة

في الأشكال، يُشار إلى المصدر (الجانب الأيسر) والمصب (الجانب الأيمن) بالرمز n+ للدلالة على المناطق ذات التطعيم العالي (باللون الأزرق). ويُشار إلى مُطعِّم طبقة الاستنزاف بالرمز N _A ⁻ للدلالة على أن الأيونات في طبقة الاستنزاف (باللون الوردي) سالبة الشحنة، وأن عدد الفجوات فيها قليل جدًا. أما في المادة الأساسية (باللون الأحمر)، فإن عدد الفجوات p  =  N _A، مما يجعل شحنة المادة الأساسية متعادلة.

إذا كان جهد البوابة أقل من جهد العتبة (الشكل الأيسر)، فإن ترانزستور "وضع التحسين" يكون في وضع الإيقاف، ومن الناحية المثالية لا يمر تيار من المصرف إلى المصدر. في الواقع، يمر تيار حتى مع انحيازات بوابة أقل من جهد العتبة ( تيار التسرب دون العتبة )، على الرغم من أنه صغير ويتغير أُسّيًا مع انحياز البوابة. لذلك، تحدد جداول البيانات جهد العتبة وفقًا لكمية محددة قابلة للقياس من التيار (عادةً 250 ميكرو أمبير أو 1 ميلي أمبير).

إذا كان جهد البوابة أعلى من جهد العتبة (الشكل على اليمين)، يتم تشغيل ترانزستور "وضع التحسين"، وذلك لوجود عدد كبير من الإلكترونات في القناة عند سطح التلامس بين أكسيد السيليكون، مما يُنشئ قناة ذات مقاومة منخفضة تسمح بتدفق الشحنة من المصرف إلى المصدر. وتُسمى هذه الحالة بالانعكاس القوي عندما تكون الجهود أعلى بكثير من جهد العتبة. وتكون القناة متناقصة عندما يكون جهد المصرف ( V _{_D}) أكبر من الصفر، لأن انخفاض الجهد الناتج عن التيار في القناة المقاومة يُقلل من مجال أكسيد السيليكون الداعم للقناة مع اقتراب الجهد من المصرف.

تأثير الجسم هو التغير في جهد العتبة بمقدار يساوي تقريبًا التغير في جهد المصدر-الجسم،${\displaystyle V_{SB}}$لأن الجسم يؤثر على جهد العتبة (عندما لا يكون متصلاً بالمصدر). ويمكن اعتباره بوابة ثانية، ويُشار إليه أحيانًا بالبوابة الخلفية ، وبناءً على ذلك يُطلق على تأثير الجسم أحيانًا اسم تأثير البوابة الخلفية . ^{[ 3 ]}

بالنسبة لترانزستور MOSFET من نوع nMOS ذي الوضع المحسن، يتم حساب تأثير الجسم على جهد العتبة وفقًا لنموذج Shichman–Hodges، ^{[ 4 ]} وهو دقيق بالنسبة لعقد المعالجة القديمة، باستخدام المعادلة التالية:

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

أين؛

${\displaystyle V_{TN}}$يمثل جهد العتبة عند وجود انحياز الركيزة،

${\displaystyle V_{SB}}$هو انحياز الركيزة من المصدر إلى الجسم،

${\displaystyle 2\phi _{F}}$هو جهد السطح،

${\displaystyle V_{TO}}$يمثل جهد العتبة لانحياز الركيزة الصفري،

${\displaystyle \gamma =\left(t_{ox}/\epsilon _{ox}\right){\sqrt {2q\epsilon _{\text{Si}}N_{A}}}}$هو مُعامل تأثير الجسم ،

${\displaystyle t_{ox}}$سمك طبقة الأكسيد،

${\displaystyle \epsilon _{ox}}$هي سماحية الأكسيد،

${\displaystyle \epsilon _{\text{Si}}}$هي سماحية السيليكون،

${\displaystyle N_{A}}$هو تركيز المنشطات،

${\displaystyle q}$هي شحنة أولية.

في عقدة تكنولوجية معينة، مثل عملية CMOS 90 نانومتر ، يعتمد جهد العتبة على اختيار طبقة الأكسيد وسمكها . باستخدام معادلات الجسم المذكورة أعلاه،${\displaystyle V_{TN}}$يتناسب طرديًا مع${\displaystyle \gamma }$، و${\displaystyle t_{OX}}$، وهو المعامل الخاص بسماكة الأكسيد.

وبالتالي، كلما قلّ سمك طبقة الأكسيد، انخفض جهد العتبة. ورغم أن هذا قد يبدو تحسينًا، إلا أنه ليس بلا ثمن؛ فكلما قلّ سمك طبقة الأكسيد، زاد تيار التسريب تحت العتبة عبر الجهاز. ونتيجةً لذلك، حُدِّدت مواصفات التصميم لسمك طبقة أكسيد البوابة عند 1  نانومتر للتحكم في تيار التسريب، وذلك لدوائر 90 نانومتر. ^{[ 5 ]} يُطلق على هذا النوع من النفق اسم نفق فاولر-نوردهايم. ^{[ 6 ]}

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

أين؛

${\displaystyle C_{1}}$و${\displaystyle E_{0}}$هي ثوابت،

${\displaystyle E_{ox}}$هو المجال الكهربائي عبر أكسيد البوابة .

قبل تصغير تصميم الرقاقات إلى 90  نانومتر، كان استخدام طبقة أكسيد مزدوجة لتحديد سمك طبقة الأكسيد حلاً شائعاً لهذه المشكلة. ومع تقنية تصنيع 90  نانومتر  ، تم اعتماد استخدام طبقة أكسيد ثلاثية في بعض الحالات. ^{[ 7 ]} تُستخدم طبقة أكسيد رقيقة قياسية لمعظم الترانزستورات، وأخرى لخلايا تشغيل الإدخال/الإخراج، وثالثة لخلايا ترانزستورات الذاكرة والتمرير. وتستند هذه الاختلافات كلياً إلى خصائص سمك طبقة الأكسيد وتأثيرها على جهد العتبة في تقنيات CMOS.

كما هو الحال مع تأثير سمك طبقة الأكسيد على جهد العتبة، فإن درجة الحرارة تؤثر أيضًا على جهد العتبة لجهاز CMOS. (للتوسع في جزء من المعادلة في قسم تأثير الجسم)

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

أين؛

${\displaystyle \phi _{F}}$يمثل نصف إمكانية التلامس،

${\displaystyle k}$هو ثابت بولتزمان ،

${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة،

${\displaystyle q}$هي الشحنة الأولية ،

${\displaystyle N_{A}}$هو أحد معايير التنشيط،

${\displaystyle n_{i}}$يمثل معامل التشويب الجوهري للركيزة.

نلاحظ أن جهد السطح يرتبط ارتباطًا مباشرًا بدرجة الحرارة. وبالنظر إلى ما سبق، نجد أن جهد العتبة لا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بدرجة الحرارة، ولكنه ليس مستقلًا عنها. ويتراوح هذا التغير عادةً بين -4  ملي فولت/كلفن و-2  ملي فولت/كلفن، وذلك تبعًا لمستوى التشويب. ^{[ 8 ]} ويؤدي تغير قدره 30  درجة مئوية إلى اختلاف كبير عن قيمة 500  ملي فولت، وهي القيمة التصميمية الشائعة الاستخدام في تقنية 90 نانومتر.

يُعدّ التذبذب العشوائي للشوائب (RDF) أحد أشكال التباين في عملية التصنيع، وينتج عن اختلاف تركيز الشوائب المزروعة. في ترانزستورات MOSFET، يُمكن أن يُؤثر التذبذب العشوائي للشوائب في منطقة القناة على خصائص الترانزستور، وخاصةً جهد العتبة. في تقنيات التصنيع الحديثة، يكون تأثير التذبذب العشوائي للشوائب أكبر نظرًا لانخفاض العدد الإجمالي للشوائب. ^{[ 9 ]}

تُجرى أعمال بحثية بهدف كبح تقلبات الشوائب التي تؤدي إلى اختلاف جهد العتبة بين الأجهزة التي تخضع لنفس عملية التصنيع. ^{[ 10 ]}

• تشغيل MOSFET
• تعديل طول القناة
• CMOS متعدد العتبات

• محاضرة عبر الإنترنت بعنوان: جهد العتبة وسعات MOSFET للدكتور لوندستروم