2022年，集成電路半導體行業最熱的頭條是“EDA被全面封鎖”。如何突破EDA封鎖，成為行業發展的關鍵詞，也是群體焦慮。在全球市場，有人比喻EDA是“芯片之母”，如果沒有了芯片，工業發展和社會進步將處處受制，EDA的重要性也上升到了戰略性高度。盡管國際封鎖形勢嚴峻，但睿智的中國科技人擅于把危機化為機會，從《加快自動研發應用，讓工業軟件不再卡脖子》，到《破解科技卡脖子要打好三張牌》，即一要打好“基礎牌”，提升基礎創新能力；二要打好“應用牌”，加強對高精尖國貨的應用；三是要打好“人才牌”，讓人才留得住、用得上、有發展……，各種政策、舉措和實際行動，處處彰顯了我們中國科技的發展韌性。

我們EDA探索頻道，今天迎來了第二期的精彩內容——閾值電壓，下面就跟著小編一起來開啟今天的探索之旅吧~

“信息社會，數字時代，數碼產品”這些詞匯填充了我們生活的每個角落。010101的圖片常常作為營造“科技感”氛圍的重要工具。

在實現層面上，0與1往往會用開關的通斷來表示。這個開關有多種實現方式，包括繼電器和電子管，還包括三體人的人列計算機。

注：人列計算機就是由人組成的計算機。但是人數需求龐大（在小說中人數為三千萬士兵），由人組成計算機的的各個部位，由各種符號代替二進制進行運算。

而現代集成電路一般使用MOS管，其本質是一個壓控開關。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。既然叫做開關，那就需要有一個區別開態與關態的狀態。回到本系列的慣用伎倆“以水比電”上面，一個MOS管就像一個水龍頭一樣。由龍頭的開關來控制水流的通斷和大小。

用水龍頭的比喻來看，從沒有水，到有水，再到水流開最大。這其中包含了更復雜的過程，因為這并不是一個“階躍“的過程，而是從無到有然后從小到大的過程（嚴格意義上來說，由于反向漏電流的存在，并不是完全的零電流）。這其中最關鍵的便是從無到有的標志點，即所謂的“閾值”。在小于閾值電壓的點，我們認為MOS管是關斷的，大于閾值電壓的點，MOS管開始導通。因此閾值電壓是一個MOS管非常關鍵的參數，成為描述MOS管參數體系的基石之一。

圖：MOS管轉移特性曲線

從物理的角度來看，我們可以把閾值電壓看做反應層建立時的柵壓。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，帶有溝道預先摻雜的耗盡管晶體管這里不討論），幾乎沒有電流通過。當有反型層開始建立時，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。

基于半導體物理的視角，MOS器件的閾值電壓如下：

其中第一項是反型層的電容引起的電壓降，第二項是達到強反型所對應的電壓（一般認為是2倍的表面勢），第三項是平帶電壓，即考慮了界面電荷與柵極接觸的功函數。

在這個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。但是問題也出在了這里。正如前面提到的，電流的增加是逐步出現的，并不是一下子達到完全的開啟狀態。因此在實際操作中，通過IV曲線很難找到一個明確的轉折點來讀出閾值電壓。而公式當中的物理量又很難在實踐中獲得。在實際操作當中，往往采用JEDEC（固態技術協會是微電子產業的領導標準機構）所推薦的標準。

根據JEDEC推薦有兩種計算閾值電壓的方法：

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。

從理論上來說，使用外推法得到的閾值電壓會更加的準確。但是在操作當中又不免陷入與半導體物理定義閾值電壓同樣的尷尬，即操作上比較復雜。要得到整個的跨導并且求最大值。所以實際應用當中，采用直接法。即在一定的MOSFET寬長比下面，電流達到歸一化的100nA所對應的電壓，即是閾值電壓了。

魯迅先生曾說過：“尺有所短，寸有所長。操作復雜，不如不用。”

這件事情告訴我們，很多時候有理論價值和創新性是不夠的，能夠在市場上獲得更多人的認可也是價值廣泛傳播的重要因素。

編輯：黃飛

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