EDA技术探索之阈值电压

2022年，集成电路半导体行业最热的头条是“EDA被全面封锁”。如何突破EDA封锁，成为行业发展的关键词，也是群体焦虑。在全球市场，有人比喻EDA是“芯片之母”，如果没有了芯片，工业发展和社会进步将处处受制，EDA的重要性也上升到了战略性高度。尽管国际封锁形势严峻，但睿智的中国科技人擅于把危机化为机会，从《加快自动研发应用，让工业软件不再卡脖子》，到《破解科技卡脖子要打好三张牌》，即一要打好“基础牌”，提升基础创新能力；二要打好“应用牌”，加强对高精尖国货的应用；三是要打好“人才牌”，让人才留得住、用得上、有发展……，各种政策、举措和实际行动，处处彰显了我们中国科技的发展韧性。

我们EDA探索频道，今天迎来了第二期的精彩内容——阈值电压，下面就跟着小编一起来开启今天的探索之旅吧~

“信息社会，数字时代，数码产品”这些词汇填充了我们生活的每个角落。010101的图片常常作为营造“科技感”氛围的重要工具。

在实现层面上，0与1往往会用开关的通断来表示。这个开关有多种实现方式，包括继电器和电子管，还包括三体人的人列计算机。

注：人列计算机就是由人组成的计算机。但是人数需求庞大（在小说中人数为三千万士兵），由人组成计算机的的各个部位，由各种符号代替二进制进行运算。

而现代集成电路一般使用MOS管，其本质是一个压控开关。压指的就是栅极的电压，而它控的就是源极和漏极之前的电流。既然叫做开关，那就需要有一个区别开态与关态的状态。回到本系列的惯用伎俩“以水比电”上面，一个MOS管就像一个水龙头一样。由龙头的开关来控制水流的通断和大小。

用水龙头的比喻来看，从没有水，到有水，再到水流开最大。这其中包含了更复杂的过程，因为这并不是一个“阶跃“的过程，而是从无到有然后从小到大的过程（严格意义上来说，由于反向漏电流的存在，并不是完全的零电流）。这其中最关键的便是从无到有的标志点，即所谓的“阈值”。在小于阈值电压的点，我们认为MOS管是关断的，大于阈值电压的点，MOS管开始导通。因此阈值电压是一个MOS管非常关键的参数，成为描述MOS管参数体系的基石之一。

图：MOS管转移特性曲线

从物理的角度来看，我们可以把阈值电压看做反应层建立时的栅压。MOS管的源漏之间有沟道相隔，一般情况下，由于沟道与源漏反型（方便起见，带有沟道预先掺杂的耗尽管晶体管这里不讨论），几乎没有电流通过。当有反型层开始建立时，电流有了通路。随着反型加深，电流的通路逐步拓宽，源漏间的电流不断加大。

基于半导体物理的视角，MOS器件的阈值电压如下：

其中第一项是反型层的电容引起的电压降，第二项是达到强反型所对应的电压（一般认为是2倍的表面势），第三项是平带电压，即考虑了界面电荷与栅极接触的功函数。

在这个角度下得到阈值电压物理意义较为明确，宏观量与微观量形成了紧密的连接。但是问题也出在了这里。正如前面提到的，电流的增加是逐步出现的，并不是一下子达到完全的开启状态。因此在实际操作中，通过IV曲线很难找到一个明确的转折点来读出阈值电压。而公式当中的物理量又很难在实践中获得。在实际操作当中，往往采用JEDEC（固态技术协会是微电子产业的领导标准机构）所推荐的标准。

根据JEDEC推荐有两种计算阈值电压的方法：

第一是Constant current threshold voltage，即恒电流法阈值电压。

第二是Extrapolated threshold voltage，即外推法阈值电压。

从理论上来说，使用外推法得到的阈值电压会更加的准确。但是在操作当中又不免陷入与半导体物理定义阈值电压同样的尴尬，即操作上比较复杂。要得到整个的跨导并且求最大值。所以实际应用当中，采用直接法。即在一定的MOSFET宽长比下面，电流达到归一化的100nA所对应的电压，即是阈值电压了。

鲁迅先生曾说过：“尺有所短，寸有所长。操作复杂，不如不用。”

这件事情告诉我们，很多时候有理论价值和创新性是不够的，能够在市场上获得更多人的认可也是价值广泛传播的重要因素。

编辑：黄飞