MOSFET-Schwellenspannung
Berechnen Sie die effektive Vth mit Body Effect (γ-Parameter) und Temperaturkorrektur nach BSIM3.
Funktionsprinzip
Die Schwellenspannung Vth eines MOSFET wird durch zwei physikalische Effekte modifiziert:
Der Body Effect erhöht Vth, wenn eine Vorspannung zwischen Source und Bulk liegt (Vsb > 0). Der Koeffizient γ hängt von der Substratdotierung und der Gateoxiddicke ab.
Die Temperaturabhängigkeit ist bauteilspezifisch und sollte aus dem Datenblatt bzw. aus validierten Messreihen übernommen werden.
Vth vs. Vsb Kurve
Normen & Standards
| Norm | Bezeichnung | Anwendungsbereich |
|---|---|---|
| IEC 60747-8 | Semiconductor devices — Field-effect transistors | Mess- und Definitionsrahmen für Feldeffekttransistoren einschließlich Kennlinien- und Schwellenwertbewertung. |
| DIN EN 60747-8 | Halbleiterbauelemente — Feldeffekttransistoren | Deutsche Übernahme der IEC-Methodik für Feldeffekttransistoren. |
Fachbegriffe (Glossar)
- Schwellenspannung (Vth)
- Gate-Source-Spannung für den Beginn der starken Inversion. Vth0 ist der modellbezogene Referenzwert bei definiertem Bias.
- Body Effect
- Erhöhung von Vth durch Source-Bulk-Vorspannung: ΔVth = γ×[√(2φF+Vsb) - √(2φF)]. Auch Back-Gate-Effekt genannt.
- γ (Gamma)
- Body-Effect-Koeffizient in V^½. Hängt von Substratdotierung und Oxiddicke ab: γ = √(2qεsNA)/Cox.
- 2φF (Fermi-Potential)
- Doppeltes Fermi-Potential: 2φF = 2(kT/q)ln(NA/ni). Beschreibt den Übergang zur starken Inversion.
- αVth (Temperaturkoeffizient)
- Temperaturabhängigkeit von Vth. Betrag und Vorzeichen sind modell- und bauteilabhängig.
- ZTC (Zero Temperature Coefficient)
- Arbeitspunkt, an dem der Drainstrom temperaturunabhängig ist. Ergibt sich aus der Kompensation von Vth-Abnahme und Mobilitätsabnahme.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Schwellenspannung Vth?
Vth ist die Gate-Source-Spannung, ab der ein Inversionskanal zwischen Source und Drain entsteht. Der konkrete Wert ist bauteil-, temperatur- und messprotokollabhängig.
Was ist der Body Effect?
Wenn Source und Bulk nicht auf gleichem Potential liegen (Vsb > 0), erhöht sich die Schwellenspannung: ΔVth = γ×[√(2φF+Vsb) - √(2φF)]. Dies tritt z.B. in gestapelten MOSFET-Schaltungen oder CMOS-Logik auf.
Was bedeutet der γ-Parameter?
Der Body-Effect-Koeffizient γ beschreibt die Stärke der Vth-Erhöhung bei steigender Source-Bulk-Spannung. Seine Größe hängt von Prozess- und Geometrieparametern ab.
Was ist 2φF?
2φF ist das doppelte Fermi-Potential im Body-Effect-Term und beeinflusst die Krümmung der Vth(Vsb)-Abhängigkeit im Modell.
Wie beeinflusst die Temperatur Vth?
Vth ist temperaturabhängig. Für belastbare Aussagen sollten temperaturabhängige Kennlinien oder Modellparameter des konkreten Bauteils verwendet werden.
Was ist der ZTC-Punkt?
Der Zero Temperature Coefficient (ZTC)-Punkt ist der Bereich, in dem sich gegenläufige Temperatureffekte im Drainstrom annähernd kompensieren. Die Lage ist bauteil- und arbeitspunktabhängig.
Wie beeinflusst Vth das Schaltverhalten?
Höhere Vth → späteres Einschalten, geringerer Leckstrom im AUS-Zustand. Niedrigere Vth → schnelleres Schalten, höherer Leckstrom. Multi-Vth-Prozesse (HVT/SVT/LVT) bieten Trade-off zwischen Geschwindigkeit und Leistung.
Was passiert bei negativem αVth?
Ein negativer Temperaturkoeffizient bedeutet, dass Vth bei steigender Temperatur sinkt. Für die Schaltungsbewertung sollten Leckstrom- und Stabilitätseffekte im jeweiligen Betriebsfenster mitbetrachtet werden.
Wie misst man Vth?
Übliche Verfahren basieren auf der Auswertung der Id-Vgs-Übertragungskennlinie unter definierten Messbedingungen. Für Vergleichbarkeit sind Methode, Stromniveau, Temperatur und Bias-Bedingungen zu dokumentieren.
Wie variiert Vth mit der Prozessstreuung?
Vth unterliegt prozess- und geometriebedingter Streuung. Die konkrete Streuung ist technologie- und foundryabhängig und sollte aus PDK- oder Datenblattinformationen entnommen werden.
Verwandte Werkzeuge
Methodik & Verifizierung
Diese Seite verwendet nachvollziehbare Modellgleichungen und verweist auf Normen, Datenblätter oder Primärliteratur. Quellenlinks wurden zuletzt am 3. April 2026 gegen offizielle Veröffentlichungen geprüft.