亞閾值電流是在MOS管理想的電流－電壓特性中，當Vgs小於 Vt 時，漏極電流 Id 為0。
基本介紹
- 中文名：亞閾值電流
- 外文名：subthreshold leakage
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概述
亞閾值電流，或稱亞閾值漏電流（英語：subthreshold leakage），是金屬氧化物半導體場效應管柵極電壓低於電晶體線性導通所需的閾值電壓、處於截止區（或稱亞閾值狀態）時，源極和漏極之間的微量漏電流。
定義
在MOS管理想的電流－電壓特性中，當Vgs小於 Vt 時，漏極電流 Id 為0。而實際情況是，當Vg<Vt 時，MOS電晶體處於表面弱反型狀態（與開啟時的強反型有區別），這個區域叫做亞閾值區。MOS管工作在亞閾值區時，溝道中雖然存在反型載流子，但濃度較低，因而此時 Id 很小，但不為0，此電流稱為亞閾值電流。
亞閾值擺幅
亞閾值擺幅（Subthreshold swing）， 又稱為 S因子。這是MOSFET在亞閾狀態工作時、用作為邏輯開關時的一個重要參數，它定義為：
S = dVgs / d(log10 Id)，單位是[mV/dec]。S在數值上就等於為使漏極電流Id變化一個數量級時所需要的柵極電壓增量ΔVgs，注意S是從Vg-Id曲線上的最大斜率處提取出來的。表示著Id~Vgs關係曲線的上升率。
S值與器件結構和溫度等有關：襯底反向偏壓將使表面耗盡層電容CD減小，則S值減小；界面陷阱的存在將增加一個與CD並聯的陷阱容，使S值增大；溫度升高時，S值也將增大。為了提高MOSFET的亞閾區工作速度，就要求S值越小越好，為此應當對MOSFET加上一定的襯偏電壓和減小界面陷阱。
室溫條件下（T=300k），MOS型器件 S的理論最小值為log(10)*KT/q=59.6mV/dec≈60 mV/dec，但一些新型器件，如隧穿器件（TunnelingTransistor），可以獲得低於此理論值的亞閾值擺幅。
在大規模數字積體電路的縮小規則中， 恆定電壓縮小規則、 恆定電場縮小規則等都不能減小S值，所以這些縮小規則都不適用，只有採用半經驗的恆定亞閾特性縮小規則才比較合理。
金屬氧化物半導體場效應管
金屬氧化物半導體場效電晶體（簡稱：金氧半場效電晶體；英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫：MOSFET），是一種可以廣泛使用在模擬電路與數字電路的場效電晶體。金屬氧化物半導體場效應管依照其溝道極性的不同，可分為電子占多數的N溝道型與空穴占多數的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場效電晶體（NMOSFET）與P型金氧半場效電晶體（PMOSFET）。
以金氧半場效電晶體（MOSFET）的命名來看，事實上會讓人得到錯誤的印象。因為MOSFET跟英文單字“metal（金屬）”的第一個字母M，在當下大部分同類的組件里是不存在的。早期金氧半場效電晶體柵極使用金屬作為材料，但由於多晶矽在製造工藝中更耐高溫等特點，許多金氧半場效電晶體柵極採用後者而非前者金屬。然而，隨著半導體特徵尺寸的不斷縮小，金屬作為柵極材料最近又再次得到了研究人員的關注。
金氧半場效電晶體在概念上屬於絕緣柵極場效電晶體（Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET）。而絕緣柵極場效電晶體的柵極絕緣層，有可能是其他物質，而非金氧半場效電晶體使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶矽柵極的場效電晶體組件時比較喜歡用IGFET，但是這些IGFET多半指的是金氧半場效電晶體。
金氧半場效電晶體里的氧化層位於其溝道上方，依照其工作電壓的不同，這層氧化物的厚度僅有數十至數百埃（Å）不等，通常材料是二氧化矽（SiO2），不過有些新的高級工藝已經可以使用如氮氧化矽（silicon oxynitride, SiON）做為氧化層之用。
今日半導體組件的材料通常以矽為首選，但是也有些半導體公司發展出使用其他半導體材料的工藝，當中最著名的例如國際商業機器股份有限公司使用矽與鍺的混合物所發展的矽鍺工藝（SiGe process）。而可惜的是很多擁有良好電性的半導體材料，如砷化鎵（GaAs），因為無法在表面長出質量夠好的氧化層，所以無法用來製造金氧半場效電晶體組件。
當一個夠大的電位差施於金氧半場效電晶體的柵極與源極之間時，電場會在氧化層下方的半導體表面形成感應電荷，而這時就會形成反轉溝道（inversion channel）。溝道的極性與其漏極（drain）與源極相同，假設漏極和源極是n型，那么溝道也會是n型。溝道形成後，金氧半場效電晶體即可讓電流通過，而依據施於柵極的電壓值不同，可由金氧半場效電晶體的溝道流過的電流大小亦會受其控制而改變。
閾值電壓
當器件由空乏向反轉轉變時，要經歷一個Si表面電子濃度等於電洞濃度的狀態。此時器件處於臨界導通狀態，器件的閘極電壓定義為閾值電壓，它是MOSFET的重要參數之一。
