Calculadora de voltaje umbral MOSFET

El voltaje umbral es el voltaje compuerta-fuente al que una estructura MOS forma una capa de inversión fuerte capaz de conducir entre fuente y drenador. No es una frontera de encendido y apagado perfectamente nítida, ya que por debajo existe una corriente subumbral medible. Aun así, es uno de los parámetros más importantes en temporización digital, polarización analógica, control de fugas y fabricación de dispositivos. Depende de las propiedades de los materiales, la geometría del óxido, el dopaje del sustrato, la polarización de terminales, la temperatura y la carga atrapada. Esta calculadora utiliza un modelo NMOS idealizado estándar de efecto de cuerpo. La capacitancia de óxido por unidad de área es la permitividad del óxido dividida entre su espesor. Un óxido más delgado da mayor capacitancia y un control electrostático más fuerte de la compuerta. El potencial de Fermi se obtiene del voltaje térmico y del logaritmo de la razón entre el dopaje aceptor y la concentración intrínseca de portadores. El coeficiente de efecto de cuerpo combina la permitividad del silicio, la carga electrónica, la concentración del sustrato y la capacitancia del óxido. Con polarización fuente-cuerpo nula, el umbral estimado es el voltaje de banda plana más el doble del potencial de Fermi más el término de carga de agotamiento. Un voltaje fuente-cuerpo positivo aumenta la profundidad de agotamiento y eleva el umbral: este es el efecto de cuerpo. El modelo supone un sustrato de silicio tipo p con dopaje uniforme, dióxido de silicio con permitividad relativa 3.9, silicio con permitividad relativa 11.7 y una concentración intrínseca de 1.45 × 10¹⁶ por metro cúbico. El dopaje introducido por centímetro cúbico se convierte internamente a unidades SI. El voltaje de banda plana recoge la diferencia de funciones de trabajo y la carga efectiva del óxido. Suele ser negativo en procesos NMOS, pero varía mucho con el material de compuerta, el sustrato, la carga fija y los detalles de fabricación. Usa un valor de la documentación del proceso, de un modelo ajustado o de un capacitor bien caracterizado. Adivinar esta entrada puede desplazar mucho el umbral final, aunque los datos de óxido y dopaje sean precisos. Esta ecuación sirve para educación, exploración de procesos y comparaciones de primer orden, no para la aprobación final de un diseño fabricado. Los dispositivos modernos de canal corto presentan reducción de barrera inducida por drenador, confinamiento cuántico, perfiles no uniformes, agotamiento del polisilicio, efectos de movilidad y concentración intrínseca dependiente de la temperatura. Los modelos compactos de producción incluyen estos detalles y se calibran con medidas. Además, los métodos de extracción del umbral difieren: corriente constante, extrapolación lineal y transconductancia pueden dar valores distintos para un mismo transistor. Trata el resultado como una estimación con fundamento físico y compáralo con el modelo del proceso correspondiente.