Threshold voltage
فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر (ایف ای ٹی) کا تھریشولڈ وولٹیج، جسے عام طور پر Vth یا VGS (th) کے طور پر مختصر کیا جاتا ہے، کم از کم گیٹ ٹو سورس وولٹیج (VGS) ہے جو ماخذ اور ڈرین ٹرمینلز کے درمیان ایک چلنے والا راستہ بنانے کے لیے درکار ہوتا ہے۔ بجلی کی کارکردگی کو برقرار رکھنے کے لیے یہ اسکیلنگ کا ایک اہم عنصر ہے۔ جنکشن فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر (جے ایف ای ٹی) کا حوالہ دیتے وقت، تھریشولڈ وولٹیج کو اکثر اس کے بجائے پنچ آف وولٹیج کہا جاتا ہے۔ یہ کسی حد تک الجھن کا باعث ہے کیونکہ انسولیٹڈ گیٹ فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر (آئی جی ایف ای ٹی) پر لگائی جانے والی پنچ آف سے مراد چینل پنچنگ ہے جو ہائی سورس ڈرین بائیس کے تحت موجودہ سیچوریشن رویے کا باعث بنتی ہے، حالانکہ کرنٹ کبھی بند نہیں ہوتا ہے۔ پنچ آف کے برعکس، تھریشولڈ وولٹیج کی اصطلاح غیر واضح ہے اور کسی بھی فیلڈ ایفیکٹ ٹرانجسٹر میں اسی تصور کی طرف اشارہ کرتی ہے۔ بنیادی اصول این-چینل انہانسمنٹ موڈ ڈیوائسز میں، ٹرانجسٹر کے اندر ایک کنڈکٹو چینل قدرتی طور پر موجود نہیں ہوتا ہے، اور ایسا بنانے کے لیے ایک مثبت گیٹ ٹو سورس وولٹیج ضروری ہے۔ مثبت وولٹیج جسم کے اندر فری فلوٹنگ الیکٹرانوں کو گیٹ کی طرف راغب کرتا ہے، جس سے ایک کنڈکٹو چینل بنتا ہے۔ لیکن سب سے پہلے، ایف ای ٹی کے جسم میں شامل ڈوپینٹ آئنوں کا مقابلہ کرنے کے لیے گیٹ کے قریب کافی الیکٹرانوں کو راغب کرنا ضروری ہے۔ یہ ایک ایسا خطہ بناتا ہے جس میں کوئی موبائل کیریئر نہیں ہوتا ہے جسے ڈیپلیشن ریجن کہا جاتا ہے، اور جس وولٹیج پر یہ ہوتا ہے وہ ایف ای ٹی کا تھریشولڈ وولٹیج ہے۔ مزید گیٹ ٹو سورس وولٹیج میں اضافہ گیٹ کی طرف اور بھی زیادہ الیکٹرانوں کو راغب کرے گا جو ماخذ سے نالے تک ایک کنڈکٹو چینل بنانے کے قابل ہیں۔ اس عمل کو الٹا کہا جاتا ہے۔ پی-چینل "اینہانسمنٹ موڈ" ایم او ایس ٹرانجسٹر کے لیے الٹا درست ہے۔ جب وی جی ایس = 0 ہوتا ہے تو آلہ "بند" ہوتا ہے اور چینل کھلا/غیر چلنے والا ہوتا ہے۔ پی-ٹائپ "اینہانسمنٹ موڈ" ایم او ایس ایف ای ٹی پر منفی گیٹ وولٹیج کا اطلاق چینلز کی چالکتا کو بڑھاتا ہے جو اسے "آن" کرتا ہے۔ اس کے برعکس، این-چینل ڈیپلیشن موڈ ڈیوائسز میں ٹرانجسٹر کے اندر قدرتی طور پر موجود ایک کنڈکٹو چینل ہوتا ہے۔ اس کے مطابق، حد وولٹیج کی اصطلاح اس طرح کے آلات کو آن کرنے پر آسانی سے لاگو نہیں ہوتی ہے، لیکن اس کے بجائے وولٹیج کی سطح کو ظاہر کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے جس پر چینل اتنا چوڑا ہوتا ہے کہ الیکٹرانوں کو آسانی سے بہاؤ کی اجازت دیتا ہے۔ یہ بہاؤ کی آسانی کی حد پی-چینل ڈیپلیشن موڈ ڈیوائسز پر بھی لاگو ہوتی ہے، جس میں گیٹ سے باڈی/سورس تک منفی وولٹیج مثبت طور پر چارج شدہ سوراخوں کو گیٹ انسولیٹر/سیمی کنڈکٹر انٹرفیس سے دور کر کے ایک ڈیپلیشن پرت بناتا ہے، جس سے غیر متحرک، منفی طور پر چارج شدہ قبولیت آئنوں کا کیریئر فری خطہ بے نقاب ہو جاتا ہے۔ این-چینل ڈیپلیشن ایم او ایس ٹرانجسٹر کے لیے، ایک منفی گیٹ سورس وولٹیج ٹرانجسٹر "آف" کو تبدیل کرنے والے اس کے آزاد الیکٹرانوں کے کنڈکٹو چینل کو ختم کر دے گا (اسی لیے اس کا نام)۔ اسی طرح پی-چینل "ڈیپلیشن موڈ" ایم او ایس ٹرانجسٹر کے لیے ایک مثبت گیٹ سورس وولٹیج اس کے آزاد سوراخوں کے چینل کو ختم کر دے گا، اور اسے "آف" کر دے گا۔ وسیع پلانر ٹرانجسٹروں میں تھریشولڈ وولٹیج بنیادی طور پر ڈرین سورس وولٹیج سے آزاد ہوتا ہے اور اس لیے یہ ایک اچھی طرح سے متعین خصوصیت ہے، تاہم یہ جدید نینو میٹر سائز کے MOSFET میں ڈرین سے پیدا ہونے والی رکاوٹ کو کم کرنے کی وجہ سے کم واضح ہے۔ اعداد و شمار میں، ماخذ (بائیں طرف) اور نالے (دائیں طرف) کو n + کا لیبل لگایا گیا ہے تاکہ بھاری ڈوپڈ (نیلے) n-علاقوں کی نشاندہی کی جا سکے۔ ڈپلیشن پرت ڈوپینٹ کو این اے-کا لیبل لگایا جاتا ہے تاکہ یہ ظاہر کیا جا سکے کہ (گلابی) ڈپلیشن پرت میں آئن منفی طور پر چارج ہوتے ہیں اور بہت کم سوراخ ہوتے ہیں۔ (سرخ) بلک میں سوراخوں کی تعداد p = NA بلک چارج کو غیر جانبدار بناتی ہے۔ اگر گیٹ وولٹیج حد وولٹیج (بائیں شکل) سے نیچے ہے، تو "اینہانسمنٹ موڈ" ٹرانجسٹر کو بند کر دیا جاتا ہے اور مثالی طور پر ڈرین سے ٹرانجسٹر کے منبع تک کوئی کرنٹ نہیں ہوتا ہے۔ در حقیقت، دہلیز (سب تھریشولڈ لیکج) کرنٹ سے نیچے گیٹ بائیسز کے لیے بھی ایک کرنٹ موجود ہے، حالانکہ یہ چھوٹا ہے اور گیٹ بائیس کے ساتھ تیزی سے مختلف ہوتا ہے۔ لہذا، ڈیٹا شیٹ کرنٹ کی ایک مخصوص قابل پیمائش مقدار (عام طور پر 250 ایم یو اے یا 1 ایم اے) کے مطابق حد وولٹیج کی وضاحت کرے گی۔ اگر گیٹ وولٹیج حد وولٹیج (صحیح شکل) سے اوپر ہے، تو آکسائڈ-سلکان انٹرفیس پر چینل میں بہت سے الیکٹران ہونے کی وجہ سے "انہانسمنٹ موڈ" ٹرانجسٹر آن کیا جاتا ہے، جس سے کم مزاحمت والا چینل بنتا ہے جہاں چارج ڈرین سے ماخذ کی طرف بہہ سکتا ہے۔ حد سے نمایاں طور پر اوپر والے وولٹیج کے لیے، اس صورتحال کو مضبوط الٹ کہا جاتا ہے۔ چینل کو اس وقت ٹیپر کیا جاتا ہے جب مزاحم چینل میں کرنٹ کی وجہ سے وولٹیج میں کمی چینل کو سپورٹ کرنے والے آکسائڈ فیلڈ کو کم کر دیتی ہے جیسے جیسے ڈرین قریب آتی ہے۔ باڈی ایفیکٹ باڈی ایفیکٹ تھریشولڈ وولٹیج میں تقریبا سورس بلک وولٹیج میں تبدیلی کے برابر مقدار میں تبدیلی ہے، کیونکہ باڈی تھریشولڈ وولٹیج کو متاثر کرتا ہے (جب یہ سورس سے بندھا نہیں ہوتا ہے)۔ اسے دوسرے دروازے کے طور پر سوچا جا سکتا ہے، اور بعض اوقات اسے بیک گیٹ کہا جاتا ہے، اور اسی کے مطابق جسمانی اثر کو بعض اوقات بیک گیٹ اثر کہا جاتا ہے۔ اینہانسمنٹ موڈ این ایم او ایس ایم او ایس ایف ای ٹی کے لیے، تھریشولڈ وولٹیج پر باڈی ایفیکٹ کا حساب شیچ مین-ہڈجز ماڈل کے مطابق کیا جاتا ہے، جو کہ پرانے پروسیس نوڈس کے لیے درست ہے، مندرجہ ذیل مساوات کا استعمال کرتے ہوئے: جہاں ؛ جب سبسٹریٹ بائیس موجود ہوتا ہے تو تھریشولڈ وولٹیج ہے، ماخذ سے جسم کا سبسٹریٹ بائیس ہے، سطح کی صلاحیت ہے، صفر سبسٹریٹ بائیس کے لیے تھریشولڈ وولٹیج ہے، باڈی ایفیکٹ پیرامیٹر ہے، آکسائڈ موٹائی ہے، آکسائڈ پرمٹیویٹی ہے، سلکان کی پرمٹیویٹی ہے، ڈوپنگ کنسنٹریشن ہے، ابتدائی چارج ہے۔ آکسائڈ کی موٹائی پر انحصار کسی دی گئی ٹیکنالوجی نوڈ میں، جیسے کہ 90-این ایم سی ایم او ایس عمل، حد وولٹیج کا انحصار آکسائڈ کے انتخاب اور آکسائڈ کی موٹائی پر ہوتا ہے۔ اوپر جسم کے فارمولوں کا استعمال کرنا، اور کے براہ راست متناسب ہے، جو آکسائڈ کی موٹائی کا پیمانہ ہے۔ اس طرح، آکسائڈ کی موٹائی جتنی پتلی ہوگی، حد وولٹیج اتنی ہی کم ہوگی۔ اگرچہ یہ ایک بہتری معلوم ہو سکتی ہے، لیکن یہ لاگت کے بغیر نہیں ہے ؛ کیونکہ آکسائڈ کی موٹائی جتنی پتلی ہوگی، ڈیوائس کے ذریعے سب تھریشولڈ رساو کا کرنٹ اتنا ہی زیادہ ہوگا۔ نتیجتا، رساو کرنٹ کو کنٹرول کرنے کے لیے 90-این ایم گیٹ آکسائیڈ موٹائی کے لیے ڈیزائن کی تفصیلات 1 این ایم پر مقرر کی گئی تھیں۔ اس قسم کی ٹنلنگ، جسے فاؤلر-نورڈہیم ٹنلنگ کہا جاتا ہے۔ جہاں ؛ اور مستقل ہیں، گیٹ آکسائڈ کے پار برقی میدان ہے۔ ڈیزائن کی خصوصیات کو 90 این ایم تک اسکیل کرنے سے پہلے، آکسائڈ کی موٹائی پیدا کرنے کے لیے دوہری آکسائڈ کا نقطہ نظر اس مسئلے کا ایک عام حل تھا۔ 90 این ایم پروسیس ٹیکنالوجی کے ساتھ، کچھ معاملات میں ٹرپل آکسائیڈ نقطہ نظر اپنایا گیا ہے۔ ایک معیاری پتلی آکسائڈ زیادہ تر ٹرانجسٹرز کے لیے استعمال ہوتا ہے، دوسرا I/O ڈرائیور خلیوں کے لیے، اور تیسرا میموری اینڈ پاس ٹرانجسٹر خلیوں کے لیے۔ یہ فرق خالصتا سی ایم او ایس ٹیکنالوجیز کے تھریشولڈ وولٹیج پر آکسائڈ کی موٹائی کی خصوصیات پر مبنی ہیں۔ درجہ حرارت کا انحصار جیسا کہ حد وولٹیج کو متاثر کرنے والی آکسائڈ کی موٹائی کے معاملے میں، درجہ حرارت کا اثر سی ایم او ایس ڈیوائس کے حد وولٹیج پر پڑتا ہے۔ باڈی ایفیکٹ سیکشن میں مساوات کے حصے پر توسیع کرنا جہاں ؛ رابطے کی صلاحیت کا نصف ہے، بولٹزمین مستقل ہے، درجہ حرارت ہے، ابتدائی چارج ہے، ڈوپنگ پیرامیٹر ہے، سبسٹریٹ کے لیے اندرونی ڈوپنگ پیرامیٹر ہے۔ ہم دیکھتے ہیں کہ سطح کی صلاحیت کا درجہ حرارت کے ساتھ براہ راست تعلق ہے۔ اوپر دیکھتے ہوئے، کہ دہلیز وولٹیج کا براہ راست تعلق نہیں ہے لیکن یہ اثرات سے آزاد نہیں ہے۔ یہ تغیر عام طور پر ڈوپنگ کی سطح کے لحاظ سے −4 mV/K اور −2 mV/K کے درمیان ہوتا ہے۔ 30 ڈگری سیلسیس کی تبدیلی کے لیے اس کے نتیجے میں 500 ایم وی ڈیزائن پیرامیٹر سے نمایاں تغیر ہوتا ہے جو عام طور پر 90 این ایم ٹیکنالوجی نوڈ کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ بے ترتیب ڈوپینٹ کے اتار چڑھاؤ پر انحصار بے ترتیب ڈوپینٹ کے اتار چڑھاؤ (آر ڈی ایف) عمل میں تغیر کی ایک شکل ہے جس کے نتیجے میں لگائے گئے نجاست کے ارتکاز میں تغیر ہوتا ہے۔ ایم او ایس ایف ای ٹی ٹرانجسٹرز میں، چینل کے علاقے میں آر ڈی ایف ٹرانجسٹر کی خصوصیات، خاص طور پر تھریشولڈ وولٹیج کو تبدیل کر سکتا ہے۔ نئی عمل کی ٹیکنالوجیز میں آر ڈی ایف کا اثر زیادہ ہوتا ہے کیونکہ ڈوپینٹس کی کل تعداد کم ہوتی ہے۔ ڈوپینٹ کے اتار چڑھاؤ کو دبانے کے لیے تحقیقی کام کیے جا رہے ہیں جس کی وجہ سے ایک ہی مینوفیکچرنگ کے عمل سے گزرنے والے آلات کے درمیان تھریشولڈ وولٹیج میں فرق ہوتا ہے۔ ایم او ایس ایف ای ٹی آپریشن چینل لمبائی ماڈیولیشن ملٹی تھریشولڈ سی ایم او ایس حوالہ جات بیرونی لنکس آن لائن لیکچر پر: تھریشولڈ وولٹیج اور ایم او ایس ایف ای ٹی کیپیسیٹنس بذریعہ ڈاکٹر لنڈسٹروم ٹرانجسٹر ماڈلنگ الیکٹریکل پیرامیٹرز ایم او ایس ایف ای ٹی ایس ایف آر: ٹرانجسٹر اے ایفیٹ ڈی چیمپیئن اے گرل میٹال-oxyde#Tension ڈی سیول