2022年，集成電路半導(dǎo)體行業(yè)最熱的頭條是“EDA被全面封鎖”。如何突破EDA封鎖，成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞，也是群體焦慮。在全球市場(chǎng)，有人比喻EDA是“芯片之母”，如果沒(méi)有了芯片，工業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步將處處受制，EDA的重要性也上升到了戰(zhàn)略性高度。盡管國(guó)際封鎖形勢(shì)嚴(yán)峻，但睿智的中國(guó)科技人擅于把危機(jī)化為機(jī)會(huì)，從《加快自動(dòng)研發(fā)應(yīng)用，讓工業(yè)軟件不再卡脖子》，到《破解科技卡脖子要打好三張牌》，即一要打好“基礎(chǔ)牌”，提升基礎(chǔ)創(chuàng)新能力；二要打好“應(yīng)用牌”，加強(qiáng)對(duì)高精尖國(guó)貨的應(yīng)用；三是要打好“人才牌”，讓人才留得住、用得上、有發(fā)展……，各種政策、舉措和實(shí)際行動(dòng)，處處彰顯了我們中國(guó)科技的發(fā)展韌性。

我們EDA探索頻道，今天迎來(lái)了第二期的精彩內(nèi)容——閾值電壓，下面就跟著小編一起來(lái)開(kāi)啟今天的探索之旅吧~

“信息社會(huì)，數(shù)字時(shí)代，數(shù)碼產(chǎn)品”這些詞匯填充了我們生活的每個(gè)角落。010101的圖片常常作為營(yíng)造“科技感”氛圍的重要工具。

在實(shí)現(xiàn)層面上，0與1往往會(huì)用開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)表示。這個(gè)開(kāi)關(guān)有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括繼電器和電子管，還包括三體人的人列計(jì)算機(jī)。

注：人列計(jì)算機(jī)就是由人組成的計(jì)算機(jī)。但是人數(shù)需求龐大（在小說(shuō)中人數(shù)為三千萬(wàn)士兵），由人組成計(jì)算機(jī)的的各個(gè)部位，由各種符號(hào)代替二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算。

而現(xiàn)代集成電路一般使用MOS管，其本質(zhì)是一個(gè)壓控開(kāi)關(guān)。壓指的就是柵極的電壓，而它控的就是源極和漏極之前的電流。既然叫做開(kāi)關(guān)，那就需要有一個(gè)區(qū)別開(kāi)態(tài)與關(guān)態(tài)的狀態(tài)?；氐奖鞠盗械膽T用伎倆“以水比電”上面，一個(gè)MOS管就像一個(gè)水龍頭一樣。由龍頭的開(kāi)關(guān)來(lái)控制水流的通斷和大小。

用水龍頭的比喻來(lái)看，從沒(méi)有水，到有水，再到水流開(kāi)最大。這其中包含了更復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)檫@并不是一個(gè)“階躍“的過(guò)程，而是從無(wú)到有然后從小到大的過(guò)程（嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，由于反向漏電流的存在，并不是完全的零電流）。這其中最關(guān)鍵的便是從無(wú)到有的標(biāo)志點(diǎn)，即所謂的“閾值”。在小于閾值電壓的點(diǎn)，我們認(rèn)為MOS管是關(guān)斷的，大于閾值電壓的點(diǎn)，MOS管開(kāi)始導(dǎo)通。因此閾值電壓是一個(gè)MOS管非常關(guān)鍵的參數(shù)，成為描述MOS管參數(shù)體系的基石之一。

圖：MOS管轉(zhuǎn)移特性曲線

從物理的角度來(lái)看，我們可以把閾值電壓看做反應(yīng)層建立時(shí)的柵壓。MOS管的源漏之間有溝道相隔，一般情況下，由于溝道與源漏反型（方便起見(jiàn)，帶有溝道預(yù)先摻雜的耗盡管晶體管這里不討論），幾乎沒(méi)有電流通過(guò)。當(dāng)有反型層開(kāi)始建立時(shí)，電流有了通路。隨著反型加深，電流的通路逐步拓寬，源漏間的電流不斷加大。

基于半導(dǎo)體物理的視角，MOS器件的閾值電壓如下：

其中第一項(xiàng)是反型層的電容引起的電壓降，第二項(xiàng)是達(dá)到強(qiáng)反型所對(duì)應(yīng)的電壓（一般認(rèn)為是2倍的表面勢(shì)），第三項(xiàng)是平帶電壓，即考慮了界面電荷與柵極接觸的功函數(shù)。

在這個(gè)角度下得到閾值電壓物理意義較為明確，宏觀量與微觀量形成了緊密的連接。但是問(wèn)題也出在了這里。正如前面提到的，電流的增加是逐步出現(xiàn)的，并不是一下子達(dá)到完全的開(kāi)啟狀態(tài)。因此在實(shí)際操作中，通過(guò)IV曲線很難找到一個(gè)明確的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)讀出閾值電壓。而公式當(dāng)中的物理量又很難在實(shí)踐中獲得。在實(shí)際操作當(dāng)中，往往采用JEDEC（固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)是微電子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)）所推薦的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)JEDEC推薦有兩種計(jì)算閾值電壓的方法：

第一是Constant current threshold voltage，即恒電流法閾值電壓。

第二是Extrapolated threshold voltage，即外推法閾值電壓。

從理論上來(lái)說(shuō)，使用外推法得到的閾值電壓會(huì)更加的準(zhǔn)確。但是在操作當(dāng)中又不免陷入與半導(dǎo)體物理定義閾值電壓同樣的尷尬，即操作上比較復(fù)雜。要得到整個(gè)的跨導(dǎo)并且求最大值。所以實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，采用直接法。即在一定的MOSFET寬長(zhǎng)比下面，電流達(dá)到歸一化的100nA所對(duì)應(yīng)的電壓，即是閾值電壓了。

魯迅先生曾說(shuō)過(guò)：“尺有所短，寸有所長(zhǎng)。操作復(fù)雜，不如不用?！?/p>

這件事情告訴我們，很多時(shí)候有理論價(jià)值和創(chuàng)新性是不夠的，能夠在市場(chǎng)上獲得更多人的認(rèn)可也是價(jià)值廣泛傳播的重要因素。

編輯：黃飛

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