แรงดันเกณฑ์ (Threshold voltage) ซึ่งมักย่อว่า Vth _หรือ VGS _(th)ของทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็ก (FET) คือ แรงดันเกตต่อแหล่งกำเนิด(VGS ₎ ต่ำสุด ที่จำเป็นในการสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วระบาย เป็นปัจจัยสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

เมื่อกล่าวถึงทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบจังก์ชัน (JFET) แรงดันเกณฑ์มักจะเรียกว่าแรงดันพินช์ออฟแทน^{[ 1 ] [ 2 ]}ซึ่งค่อนข้างสับสน เนื่องจากพินช์ออฟที่ใช้กับทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบเกตฉนวน (IGFET) หมายถึงการบีบช่องสัญญาณที่นำไปสู่พฤติกรรมการอิ่มตัวของกระแสภายใต้ไบแอสแหล่งกำเนิด-ระบายสูง แม้ว่ากระแสจะไม่เคยดับก็ตาม ต่างจากพินช์ออฟคำว่าแรงดันเกณฑ์ นั้น ชัดเจนและหมายถึงแนวคิดเดียวกันในทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าทุกชนิด

ใน อุปกรณ์ แบบ enhancement-mode ชนิดn-channel นั้น ช่องทางการนำไฟฟ้าไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติภายในทรานซิสเตอร์ หากไม่มี VGS _{ไอออน}ของสารเจือปนที่เติมเข้าไปในตัวทรานซิสเตอร์จะสร้างบริเวณที่ไม่มีตัวนำเคลื่อนที่ได้ เรียกว่าบริเวณพร่อง (depletion region ) _ค่า VGS ที่เป็นบวกจะดึงดูดอิเล็กตรอนที่ลอยตัวอยู่ภายในตัวทรานซิสเตอร์ไปยังเกต แต่ต้องมีอิเล็กตรอนจำนวนมากพอที่ถูกดึงดูดเข้ามาใกล้เกตเพื่อต้านทานไอออนของสารเจือปนและสร้างช่องทางการนำไฟฟ้า กระบวนการนี้เรียกว่าการผกผัน (inversion ) ช่องทางการนำไฟฟ้าจะเชื่อมต่อจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรนที่แรงดันเกณฑ์ ของทรานซิสเตอร์ อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังเกตมากขึ้นที่_ค่า VGS ที่สูงขึ้น ซึ่งจะทำให้ช่องทางกว้างขึ้น

ในทางกลับกัน สำหรับทรานซิสเตอร์ MOS แบบ p-channel "enhancement-mode" เมื่อ VGS ₌ 0 อุปกรณ์จะ "ปิด" และช่องสัญญาณจะเปิด/ไม่นำไฟฟ้า การใช้แรงดันเกตที่เป็นลบกับ MOSFET แบบ p-type "enhancement-mode" จะเพิ่มการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณ ทำให้มัน "เปิด"

ในทางตรงกันข้าม อุปกรณ์แบบ n-channel depletion-modeมีช่องนำไฟฟ้าอยู่แล้วตามธรรมชาติภายในทรานซิสเตอร์ ดังนั้น คำว่าแรงดันเกณฑ์ (threshold voltage)จึงไม่สามารถนำมาใช้กับการเปิดใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวได้โดยตรง แต่จะใช้เพื่อบ่งบอกถึงระดับแรงดันที่ช่องกว้างพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนไหลผ่านได้ง่าย แรงดันเกณฑ์ที่ทำให้เกิดการไหลได้ง่ายนี้ยังใช้ได้กับ อุปกรณ์ แบบ p-channel depletion-mode ด้วย เช่นกัน ซึ่งแรงดันลบจากเกตไปยังตัวถัง/แหล่งกำเนิดจะสร้างชั้นพร่อง (depletion layer) โดยการบังคับให้ประจุบวก (holes) ออกไปจากส่วนต่อประสานระหว่างเกตกับฉนวน/สารกึ่งตัวนำ ทำให้เหลือบริเวณที่ปราศจากตัวนำซึ่งประกอบด้วยไอออนตัวรับประจุลบที่ไม่เคลื่อนที่

สำหรับทรานซิสเตอร์ MOS แบบ depletion-mode ชนิด n-channel แรงดัน VGS ที่เป็นลบมากพอ_จะทำให้ช่องนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนอิสระหมดไป (จึงเป็นที่มาของชื่อ) ทำให้ทรานซิสเตอร์ "ปิด" ในทำนองเดียวกัน สำหรับทรานซิสเตอร์ MOS แบบ "depletion-mode" ชนิด p-channel แรงดันเกต-ซอร์สที่เป็นบวกมากพอจะทำให้ช่องนำไฟฟ้าของโฮลอิสระหมดไป ทำให้ทรานซิสเตอร์ "ปิด"

ในทรานซิสเตอร์แบบระนาบกว้าง แรงดันเกณฑ์แทบจะไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันเดรน-ซอร์ส (V _DS ) และดังนั้นจึงเป็นคุณลักษณะที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม ใน MOSFET ขนาดนาโนเมตรสมัยใหม่ คุณลักษณะนี้ไม่ชัดเจนนักเนื่องจาก การลดระดับ ของ สิ่งกีดขวางที่เกิดจากเดรน

บริเวณพร่องประจุของ nMOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพที่ได้รับไบแอสต่ำกว่าค่าเกณฑ์

บริเวณพร่องประจุของ nMOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพที่ได้รับไบแอสเหนือเกณฑ์พร้อมช่องสัญญาณที่เกิดขึ้น

ในภาพ แหล่งกำเนิด (ด้านซ้าย) และตัวรับ (ด้านขวา) ถูกกำกับด้วยn+เพื่อบ่งชี้ถึงบริเวณ n ที่มีการเจือปนอย่างหนาแน่น (สีน้ำเงิน) สารเจือปนในชั้นพร่องถูกกำกับด้วยN _A ⁻เพื่อบ่งชี้ว่าไอออนในชั้นพร่อง (สีชมพู) มีประจุลบและมีโฮลน้อยมาก ในเนื้อสาร (สีแดง) จำนวนโฮลp = N _Aทำให้เนื้อสารมีประจุเป็นกลาง

หากแรงดันเกตต่ำกว่าแรงดันเกณฑ์ (รูปซ้าย) ทรานซิสเตอร์แบบ "โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ" จะปิดการทำงาน และโดยหลักการแล้วจะไม่มีกระแสไหลจากขั้วเดรนไปยังขั้วซอร์สของทรานซิสเตอร์ อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริงแล้ว แม้จะมีแรงดันไบแอสเกตต่ำกว่าเกณฑ์ ก็ยังมีกระแสไหลอยู่ ( กระแสรั่วไหลใต้เกณฑ์ ) ถึงแม้ว่ากระแสจะมีขนาดเล็กและแปรผันแบบเอกซ์โปเนนเชียลกับแรงดันไบแอสเกตก็ตาม ดังนั้น ข้อมูลจำเพาะของทรานซิสเตอร์จึงมักระบุแรงดันเกณฑ์ตามปริมาณกระแสที่วัดได้ (โดยทั่วไปคือ 250 μA หรือ 1 mA)

หากแรงดันเกตสูงกว่าแรงดันเกณฑ์ (รูปด้านขวา) ทรานซิสเตอร์แบบ "โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ" จะเปิดทำงาน เนื่องจากมีอิเล็กตรอนจำนวนมากในช่องสัญญาณที่ส่วนต่อประสานระหว่างออกไซด์และซิลิคอน ทำให้เกิดช่องสัญญาณที่มีความต้านทานต่ำ ซึ่งประจุสามารถไหลจากเดรนไปยังซอร์สได้ สำหรับแรงดันที่สูงกว่าเกณฑ์มาก สถานการณ์นี้เรียกว่าการผกผันอย่างรุนแรง ช่องสัญญาณจะเรียวลงเมื่อV _D > 0เนื่องจากแรงดันตกคร่อมเนื่องจากกระแสในช่องสัญญาณที่มีความต้านทานจะลดสนามออกไซด์ที่รองรับช่องสัญญาณเมื่อเข้าใกล้เดรน

ผลกระทบของร่างกายคือการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเกณฑ์ในปริมาณที่เท่ากับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันแหล่งจ่าย-ปริมาตรโดยประมาณเนื่องจากร่างกายมีอิทธิพลต่อแรงดันเกณฑ์ (เมื่อไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งจ่าย) อาจคิดได้ว่าเป็นเกตตัวที่สอง และบางครั้งเรียกว่าเกตด้านหลังและด้วยเหตุนี้ ผลกระทบของร่างกายจึงบางครั้งเรียกว่าผลกระทบของเกตด้านหลัง^{[ 3 ]}${\displaystyle V_{SB}}$

สำหรับ MOSFET nMOS แบบ enhancement-mode ผลกระทบของตัวถังต่อแรงดันเกณฑ์จะถูกคำนวณตามแบบจำลอง Shichman–Hodges ^{[ 4 ]}ซึ่งมีความแม่นยำสำหรับโหนดกระบวนการที่เก่ากว่า โดยใช้สมการต่อไปนี้:

${\displaystyle V_{TN}=V_{TO}+\gamma \left({\sqrt {\left|V_{SB}+2\phi _{F}\right|}}-{\sqrt {\left|2\phi _{F}\right|}}\right)}$

ที่ไหน;

${\displaystyle V_{TN}}$คือแรงดันเกณฑ์เมื่อมีไบแอสของซับสเตรตอยู่

${\displaystyle V_{SB}}$คือค่าความเอนเอียงของพื้นผิวจากแหล่งกำเนิดไปยังตัววัสดุ

${\displaystyle 2\phi _{F}}$คือศักย์พื้นผิว

${\displaystyle V_{TO}}$คือแรงดันเกณฑ์สำหรับไบแอสซับสเตรตเป็นศูนย์

${\displaystyle \gamma =\left(t_{ox}/\epsilon _{ox}\right){\sqrt {2q\epsilon _{\text{Si}}N_{A}}}}$คือพารามิเตอร์ผลกระทบต่อร่างกาย

${\displaystyle t_{ox}}$ความหนาของออกไซด์

${\displaystyle \epsilon _{ox}}$คือค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของออกไซด์

${\displaystyle \epsilon _{\text{Si}}}$ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของซิลิคอนคือค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

${\displaystyle N_{A}}$เป็นความเข้มข้นของสารกระตุ้น

${\displaystyle q}$เป็นประจุพื้นฐาน

ในเทคโนโลยีการผลิตระดับหนึ่ง เช่น กระบวนการผลิต CMOS 90 นาโนเมตรแรงดันเกณฑ์จะขึ้นอยู่กับการเลือกใช้ออกไซด์และความหนาของออกไซด์โดยใช้สูตรข้างต้นจะแปรผันตรงกับและซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำหรับความหนาของออกไซด์ ${\displaystyle V_{TN}}$${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle t_{OX}}$

ดังนั้น ยิ่งความหนาของออกไซด์บางลง แรงดันเกณฑ์ก็จะยิ่งต่ำลง แม้ว่าสิ่งนี้อาจดูเหมือนเป็นการปรับปรุง แต่ก็ไม่ใช่ว่าจะไม่มีค่าใช้จ่าย เพราะยิ่งความหนาของออกไซด์บางลง กระแส รั่วไหลใต้เกณฑ์ผ่านอุปกรณ์ก็จะยิ่งสูงขึ้น ด้วยเหตุนี้ ข้อกำหนดการออกแบบสำหรับความหนาของออกไซด์เกต 90 นาโนเมตรจึงถูกกำหนดไว้ที่ 1 นาโนเมตรเพื่อควบคุมกระแสรั่วไหล^{[ 5 ]} การ ทะลุผ่านแบบนี้เรียกว่า การทะลุผ่านแบบฟาวเลอร์-นอร์ดไฮม์^{[ 6 ]}

${\displaystyle I_{fn}=C_{1}WL(E_{ox})^{2}e^{-{\frac {E_{0}}{E_{ox}}}}}$

ที่ไหน;

${\displaystyle C_{1}}$และเป็นค่าคงที่ ${\displaystyle E_{0}}$

${\displaystyle E_{ox}}$คือสนามไฟฟ้าที่ พาดผ่านออกไซด์ของเกต

ก่อนที่จะปรับขนาดคุณสมบัติการออกแบบลงเหลือ 90 นาโนเมตร วิธีการใช้ออกไซด์สองชั้นในการสร้างความหนาของออกไซด์เป็นวิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับปัญหานี้ ด้วยเทคโนโลยีการผลิต 90 นาโนเมตร จึงมีการนำวิธีการใช้ออกไซด์สามชั้นมาใช้ในบางกรณี^{[ 7 ]}ออกไซด์บางมาตรฐานหนึ่งชั้นใช้สำหรับทรานซิสเตอร์ส่วนใหญ่ อีกชั้นหนึ่งสำหรับเซลล์ไดรเวอร์ I/O และชั้นที่สามสำหรับเซลล์ทรานซิสเตอร์หน่วยความจำและตัวส่งผ่าน ความแตกต่างเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของความหนาของออกไซด์ที่มีผลต่อแรงดันเกณฑ์ของเทคโนโลยี CMOS เท่านั้น

เช่นเดียวกับกรณีที่ความหนาของออกไซด์ส่งผลต่อแรงดันเกณฑ์ อุณหภูมิก็มีผลต่อแรงดันเกณฑ์ของอุปกรณ์ CMOS ด้วยเช่นกัน โดยจะขยายความส่วนหนึ่งของสมการในส่วน ผลกระทบของตัวถัง

${\displaystyle \phi _{F}=\left({\frac {kT}{q}}\right)\ln {\left({\frac {N_{A}}{n_{i}}}\right)}}$

ที่ไหน;

${\displaystyle \phi _{F}}$คือครึ่งหนึ่งของศักยภาพการสัมผัส

${\displaystyle k}$คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์

${\displaystyle T}$คืออุณหภูมิ

${\displaystyle q}$คือประจุ พื้นฐาน

${\displaystyle N_{A}}$เป็นพารามิเตอร์ของการใช้สารกระตุ้น

${\displaystyle n_{i}}$คือค่าพารามิเตอร์การเจือปนโดยธรรมชาติของวัสดุตั้งต้น

เราพบว่าศักยภาพพื้นผิวมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิ เมื่อพิจารณาข้างต้น พบว่าแรงดันเกณฑ์ไม่มีความสัมพันธ์โดยตรง แต่ก็ไม่ได้เป็นอิสระจากผลกระทบ การเปลี่ยนแปลงนี้โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง −4 mV/K และ −2 mV/K ขึ้นอยู่กับระดับการเจือปน^{[ 8 ]}สำหรับการเปลี่ยนแปลง 30 °C ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญจากพารามิเตอร์การออกแบบ 500 mV ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเทคโนโลยีโหนด 90 นาโนเมตร

การผันผวนของสารเจือปนแบบสุ่ม (RDF) เป็นรูปแบบหนึ่งของความแปรผันของกระบวนการที่เกิดจากความแปรผันของความเข้มข้นของสารเจือปนที่ฝังไว้ ในทรานซิสเตอร์ MOSFET การผันผวนของสารเจือปนแบบสุ่มในบริเวณช่องสัญญาณสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงดันเกณฑ์ ในเทคโนโลยีการผลิตแบบใหม่ การผันผวนของสารเจือปนแบบสุ่มจะมีผลกระทบมากขึ้นเนื่องจากจำนวนสารเจือปนทั้งหมดมีน้อยลง^{[ 9 ]}

กำลังดำเนินการวิจัยเพื่อระงับความผันผวนของสารเจือปนซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของแรงดันเกณฑ์ระหว่างอุปกรณ์ที่ผ่านกระบวนการผลิตเดียวกัน^{[ 10 ]}

• การทำงานของ MOSFET
• การมอดูเลชั่นความยาวช่องสัญญาณ
• CMOS หลายเกณฑ์

• การบรรยายออนไลน์เรื่อง: แรงดันเกณฑ์และค่าความจุของ MOSFETโดย ดร. ลุนด์สตรอม