Điện áp ngưỡng MOSFET là gì?
Điện áp ngưỡng (\(V_{th}\)) của một MOSFET là giá trị điện áp giữa cực cổng và cực nguồn mà tại đó một kênh dẫn bắt đầu hình thành giữa cực nguồn (source) và cực máng (drain). Khi điện áp thấp hơn ngưỡng này, transistor coi như đang ở trạng thái tắt; khi vượt qua ngưỡng, linh kiện bắt đầu dẫn. \(V_{th}\) là một trong những tham số quan trọng bậc nhất trong thiết kế transistor và mạch tương tự/số, vì nó quyết định điểm phân cực, mức logic và đặc tính dòng rò.
Công thức
Với linh kiện kênh n (NMOS) chế tạo trên đế loại p, điện áp ngưỡng cho kênh dài được tính như sau:
$$V_{th} = V_{fb} + 2\phi_F + \frac{\sqrt{2\,\varepsilon_s\, q\, N_a \cdot 2\phi_F}}{C_{ox}}$$
trong đó \(V_{fb}\) là điện áp dải phẳng (flat-band voltage), \(\phi_F\) là thế Fermi, \(\varepsilon_s = \varepsilon_r \cdot \varepsilon_0\) là hằng số điện môi của silic (\(\varepsilon_0 \approx 8{,}854\times10^{-14}\) F/cm), \(q = 1{,}602\times10^{-19}\) C là điện tích electron, \(N_a\) là nồng độ pha tạp acceptor của đế (cm⁻³), và \(C_{ox}\) là điện dung lớp oxit cổng trên một đơn vị diện tích (F/cm²). Số hạng \(2\phi_F\) xác định thế bề mặt ở chế độ đảo mạnh (strong inversion), còn số hạng căn bậc hai chính là điện áp cần thiết để duy trì điện tích trong vùng nghèo (vùng đế).
Cách sử dụng
Nhập điện áp dải phẳng, thế Fermi, nồng độ pha tạp đế, điện dung oxit và hằng số điện môi tương đối của silic (mặc định là 11,7). Hãy giữ tất cả các đại lượng trong hệ đơn vị tương thích với CGS: nồng độ pha tạp tính bằng cm⁻³ và điện dung/điện môi tính trên cm². Công cụ sẽ trả về \(V_{th}\) cùng với số hạng đảo bề mặt và số hạng điện tích vùng nghèo, giúp bạn thấy rõ mức đóng góp của từng thành phần.
Ví dụ minh họa
Lấy \(V_{fb} = -0{,}9\) V, \(\phi_F = 0{,}3\) V, \(N_a = 1\times10^{16}\) cm⁻³, \(C_{ox} = 3{,}45\times10^{-7}\) F/cm², \(\varepsilon_r = 11{,}7\). Khi đó \(\varepsilon_s = 1{,}036\times10^{-12}\) F/cm. Biểu thức bên trong căn là $$2 \cdot \varepsilon_s \cdot q \cdot N_a \cdot 0{,}6 = 1{,}992\times10^{-15},$$ lấy căn bậc hai được \(\approx 4{,}463\times10^{-8}\) C/cm². Chia cho \(C_{ox}\) ta được \(\approx 0{,}1294\) V. Vậy $$V_{th} = -0{,}9 + 0{,}6 + 0{,}1294 \approx -0{,}171 \text{ V}.$$
Câu hỏi thường gặp
Công cụ này có dùng được cho PMOS không? Cấu trúc công thức là như nhau, nhưng dấu của \(V_{fb}\), \(\phi_F\) và loại pha tạp sẽ đảo ngược; công cụ này mô phỏng cho trường hợp NMOS.
Nên dùng đơn vị nào? Hãy dùng các đơn vị theo cm (cm⁻³ cho nồng độ pha tạp, F/cm² cho điện dung) để các hằng số tích hợp sẵn \(q\) và \(\varepsilon_0\) luôn nhất quán.
Vì sao đôi khi Vth lại âm? Giá trị \(V_{th}\) âm (linh kiện chế độ nghèo - depletion mode) có thể xuất hiện khi điện áp dải phẳng âm mạnh so với các số hạng đảo và số hạng đế.
