MOS晶的阈值电压VT

阈值电压VT是MOS晶体管的一个重要的电参数，也是在制造工艺中的重要控制参数。VT的大小以及一致性对电路乃至 集成系统的性能具有决定性的影响。哪些因素将对MOS晶体管的阈值电压值产生影响呢? 阈值电压的数学表达式是：

式中±号对NMOS管取负号，而对PMOS管取正号。

式中 Qox 为栅氧化层中固定正电荷密度；
Qss为栅氧化层中可动正电荷密度；
Cox为单位面积栅氧化层电容，与栅氧化层厚度tOX成反比；
QB为衬底掺杂杂质浓度（耗尽层中电荷 ），NMOS管采用P型硅为衬底，此值为负，PMOS管采用N型硅为衬底，此值为正；
2ΦF为决定强反型条件的2倍体内费米势， NMOS管采用P型硅为衬底，此值为负，PMOS管采用N型硅为衬底，此值为正；
ΦMS为金属半导体功函数差，
铝栅工艺为－0.3V，硅栅工艺为＋0.8V。

可见对铝栅工艺的PMOS晶体管该式为负值，即增强型PMOS晶体管很容易得到；而为了得到增强型NMOS晶体管则要求第3项和第4项之和，大于第1项和第2项之和。
个影响阈值电压的因素是作为介质的二氧化硅(栅氧化层)中的电荷Qss以及电荷的性质。这种电荷通常是由多种原因产生的，其中的一部分带正电，一部分带负电，其净电荷的极性显然会对衬底表面产生电荷感应，从而影响反型层的形成，或者是使器件耗尽，或者是阻碍反型层的形成。Qss通常为可动正电荷。

第二个影响阈值电压的因素是衬底的掺杂浓度。从前面的分析可知，要在衬底的上表面产生反型层，必须施加能够将表面耗尽并且形成衬底少数载流子的积累的栅源电压，这个电压的大小与衬底的掺杂浓度有直接的关系。衬底掺杂浓度(QB)越低，多数载流子的浓度也越低，使衬底表面耗尽和反型所需要的电压VGS越小。

所以，衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度越低，器件的阈值电压数值将越小，反之则阈值电压值越高。对于一个成熟稳定的工艺和器件基本结构，器件阈值电压的调整，主要通过改变衬底掺杂浓度或衬底表面掺杂浓度进行。衬底表面掺杂浓度的调整是通过离子注入杂质离子进行。

第三个影响阈值电压的因素是由栅氧化层厚度tOX决定的单位面积栅电容的大小。
单位面积栅电容与栅氧化层厚度tOX的关系由下式决定：

式中 是二氧化硅栅氧化层的介电常数，
是二氧化硅栅氧化层的厚度。
显而易见，单位面积栅电容越大，电荷数量变化对VGS的变化越敏感，器件的阈值电压则越小。

实际的效应是，栅氧化层的厚度越薄，单位面积栅电容越大，相应的阈值电压数值越低。但因为栅氧化层越薄，氧化层中的场强越大，因此，栅氧化层的厚度受到氧化层击穿电压的限制。选用其他介质材料做栅介质是当前工艺中的一个方向。例如选用氮氧化硅 SiNxOy 替代二氧化硅是一个微电子技术的发展方向。正在研究其它具有高介电常数的材料，称为高k栅绝缘介质。

第四个对器件阈值电压具有重要影响的参数是栅材料与硅衬底的功函数差ΦMS的数值，这和栅材料性质以及衬底的掺杂类型有关，在一定的衬底掺杂条件下，栅极材料类型和栅极掺杂条件都将改变阈值电压。对于以多晶硅为栅极的器件，器件的阈值电压因多晶硅的掺杂类型以及掺杂浓度而发生变化。
可见，在正常条件下，很容易得到增强型PMOS管。为了制得增强型NMOS管，则需注意减少Qss、Qox，增加QB。采用硅栅工艺对制做增强型NMOS管和小的增强型PMOS管有利。

小结：影响MOS晶的阈值电压VT 的因素:
个影响阈值电压的因素是作为介质的二氧化硅(栅氧化层)中的电荷Qss以及电荷的性质。
第二个影响阈值电压的因素是衬底的掺杂浓度QB。
第三个影响阈值电压的因素是由栅氧化层厚度tOX决定的单位面积栅电容的大小。
第四个对器件阈值电压具有重要影响的参数是栅材料与硅衬底的功函数差ΦMS的数值。
铝栅的ΦMS为-0.3V，硅栅为+0.8V。所以硅栅NMOS器件相对于铝栅NMOS器件容易获得增强型器件。