在半导体器件中，Threshold Voltage（阈值电压，通常记为 ） 是 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的核心参数之一，用于定义器件从 “关态”（截止状态）切换到 “开态”（导通状态）的临界条件。以下从物理定义、影响因素、测量方法及工程应用等方面详细解析：
一、基本定义与物理意义
1. 经典定义
对于 NMOSFET（N 型沟道 MOSFET），阈值电压 是指：当栅极电压 达到该值时，半导体表面（通常为 P 型衬底）的少数载流子（电子）浓度超过多数载流子（空穴）浓度，形成反型层（即 “沟道”），使源极（Source）和漏极（Drain）之间开始导通电流。
2. 能带与载流子浓度视角
1. 理想情况下的表达式
对于长沟道 MOSFET，阈值电压可表示为：
其中：
VFB 是平带电压（Flat-Band Voltage），与栅极材料、氧化层电荷等因素有关；
在实际器件中，阈值电压还受以下因素影响：
体效应（Body Effect）：当源极与衬底之间存在偏置电压 V 时，阈值电压会升高，修正公式为：)其中 是体效应系数，与衬底掺杂浓度和氧化层厚度有关。
短沟道效应：在纳米级器件中，沟道长度缩短会导致阈值电压随沟道长度减小而降低（如 DIBL 效应），需引入修正项。
1. 工艺参数
1. 线性区测量法
在低漏源电压（）下，MOSFET 工作在线性区，漏极电流可表示为：
当 很小时，忽略二次项，可得：
通过测量不同 下的 ，绘制 曲线，取线性区外推至 时的 值即为 。
2. 亚阈值斜率法
在亚阈值区（），漏极电流与栅压的关系为：
其中 是亚阈值斜率因子（通常为 1.2-1.5）。通过绘制 曲线，取拐点处的切线外推至 （如 μ）对应的 作为 。
五、阈值电压在电路设计中的应用
1. 高性能与低功耗的权衡
在同一芯片中混合使用高阈值和低阈值器件：
关键路径：采用低阈值器件提高速度；
1. 短沟道效应的影响
在纳米级工艺（如 7nm 以下）中，DIBL、沟道长度调制效应等导致阈值电压难以精确控制，需通过三维结构（如 GAAFET）和高 - k / 金属栅技术增强栅极控制能力。
2. 负电容 FET（NCFET）技术
通过引入铁电材料（如 HfO₂）实现负电容效应，可在保持相同驱动电流的情况下降低阈值电压，突破传统 MOSFET 的亚阈值摆幅极限（60mV/dec）
3. 人工智能辅助设计
利用机器学习算法优化阈值电压分布，减少工艺波动对电路性能的影响，提高芯片良率。
MOSFET/IGBT等功率器件电学参数测试系统研发及销售---西安中昊芯测科技有限公司
