Tension de grille à laquelle un canal (couche d'inversion) se forme dans un MOSFET et le courant commence à circuler. Notée Vth.
Nom japonais: しきい値電圧
« Tension de seuil » apparaît dans 66 questions d'entraînement réparties sur 21 thèmes, dont MOSFET, SRAM et mémoire flash, Transistors avancés (FinFET et GAA).
Domaine: MOSFET
La tension de seuil (Vth) est par convention la tension de grille à laquelle commence la forte inversion, lorsque le potentiel de surface atteint deux fois le potentiel de Fermi φF et que la densité de porteurs minoritaires en surface égale la densité de porteurs majoritaires dans le volume. Pour un nMOSFET, Vth = VFB + 2φF + Qd/Cox. La tension de bandes plates VFB dépend de la différence de travail de sortie entre la grille et le silicium et des charges dans l'oxyde ; Qd est la charge de déplétion. Augmenter le dopage du canal ou épaissir l'oxyde de grille élève donc Vth. Dans les FinFET à high-k/grille métallique et les dispositifs à grille enrobante (GAA), les canaux sont quasiment non dopés et Vth est fixée principalement par le travail de sortie du métal de grille.
Un nMOSFET à enrichissement conduit lorsque VGS dépasse une tension Vth positive ; un pMOSFET à enrichissement a une Vth négative, autour de −0,4 V, et s'allume lorsque sa grille est plus de |Vth| en dessous de sa source, c'est pourquoi les documents indiquent souvent des valeurs absolues. La logique avancée utilise environ 0,2 à 0,4 V, les composants de puissance environ 1 à 4 V. Au-dessus du seuil, un dispositif à canal long en saturation suit ID = ½μCox(W/L)(VGS − Vth)² : la tension de surcommande VGS − Vth fixe donc le courant de commande. Les canaux courts s'écartent de cette loi quadratique à cause de la saturation de vitesse.
Abaisser Vth augmente la surcommande et le courant à l'état passant pour une tension d'alimentation donnée, mais sous le seuil le courant ne décroît qu'exponentiellement : la fuite à l'état bloqué est ainsi multipliée par environ dix pour chaque réduction de 60 à 80 mV. Les procédés proposent donc des transistors à Vth basse, standard et haute, et les concepteurs ne placent des cellules à Vth basse que sur les chemins critiques. Les conditions de fonctionnement déplacent aussi Vth : une polarisation inverse du substrat l'augmente (effet de substrat), une tension de drain plus élevée l'abaisse par abaissement de barrière induit par le drain (DIBL), et une hausse de température réduit sa valeur absolue d'environ 1 à 2 mV/°C.
Vth n'est jamais exactement identique d'un transistor à l'autre. Dans les petits transistors, la fluctuation aléatoire des dopants et les effets de grains du métal de grille dispersent Vth de plusieurs dizaines de millivolts, la dispersion variant à peu près comme l'inverse de la racine carrée de la surface de grille (loi de Pelgrom) ; ce sont les cellules SRAM qui y sont le plus sensibles. Dans les ailettes et nanofeuillets de quelques nanomètres d'épaisseur, le confinement quantique transforme les variations d'épaisseur en variations de Vth. Au cours de la vie d'un produit, l'instabilité en température sous polarisation négative et positive (NBTI, PBTI) et l'injection de porteurs chauds décalent Vth vers le haut et ralentissent les circuits, si bien que l'analyse temporelle doit inclure une marge de vieillissement.
Réponse : B. VGS est supérieure à Vth
Dans un nMOSFET à enrichissement, une tension positive supérieure à Vth appliquée à la grille attire des électrons à la surface du substrat de type p et forme une couche d’inversion (canal), ce qui permet le passage du courant entre source et drain. À VGS = 0 V, il n’y a pas de canal et le transistor est bloqué ; même grille flottante, le courant passe difficilement (normalement bloqué), ce qui convient à la sûreté des circuits logiques et des applications de puissance. Vth vaut typiquement 0.2 à 0.4 V en logique avancée et 1 à 4 V environ en puissance.
Réponse : A. Au carré de (VGS − Vth)
En régime de saturation d’un MOSFET à canal long, ID = (1/2)μCox(W/L)(VGS − Vth)² : le courant de drain est proportionnel au carré de (VGS − Vth) (loi quadratique). VGS − Vth est appelée tension d’overdrive et constitue un paramètre fondamental de la conception analogique. En canal court, la saturation de vitesse rapproche la dépendance d’une loi linéaire, et la dégradation de mobilité ainsi que les résistances parasites entraînent d’autres écarts ; la conception réelle utilise donc des modèles précis comme BSIM.
Les transistors des procédés logiques avancés ont typiquement des tensions de seuil d'environ 0,2 à 0,4 V en valeur absolue, avec plusieurs options proposées par procédé. Les MOSFET de puissance se situent généralement autour de 1 à 4 V, afin de rester bloqués de façon fiable malgré le bruit sur la grille.
Le canal d'un pMOS est formé de trous, attirés vers la surface du substrat de type n lorsque la grille est portée en dessous de la source. Pour le rendre passant, il faut donc une tension grille-source négative, d'où un seuil négatif.
On l'extrait généralement de la courbe ID-VG mesurée, soit comme la tension de grille à laquelle le courant de drain atteint une valeur fixe normalisée par W/L (méthode à courant constant), soit en extrapolant la partie linéaire de la courbe jusqu'à courant nul. Les deux méthodes donnent des valeurs légèrement différentes, il faut donc toujours préciser la définition utilisée.
La tension de seuil augmente donc (effet de substrat, body effect).
Dans un MOSFET à canal n, si l’on applique au substrat (bod…La tension de seuil d’un pMOS à enrichissement est donc négative (par exemple −0.4 V).
Quel est le signe de la tension de seuil (référencée à la s…Abaisser la tension de seuil augmente l’overdrive (VGS − Vth) à tension d’alimentation égale et donc le courant à l’état passant, mais en raison de la caractéristique sous le seuil, le courant de fuite à l’état bloqué croît exponentiellement, d’un facteur 10 tous les 60 à 80 mV environ.
Quel est l’effet général d’un abaissement de la tension de …Lorsque la température augmente, le niveau de Fermi se rapproche du milieu de la bande interdite et l’inversion est plus facile ; la valeur absolue de la tension de seuil diminue d’environ 1 à 2 mV/℃.
Comment évolue en général la valeur absolue de la tension d…La tension de seuil augmente.
Comment évolue la tension de seuil si l’on augmente la conc…Mobilité Zone de déplétion (zone de charge d'espace) SLC (cellule à un niveau) TLC (cellule à trois niveaux) Grille flottante CMOS Niveau de Fermi Travail de sortie Tension de bandes plates NBTI