最後更新:2026年10月8日製程節點・元件結構製程節點・電晶體中國大陸:亚阈值区

次臨界區(次臨界擺幅)是什麼

Subthreshold Region

次臨界區是指MOS電晶體的閘極電壓即使低於臨界電壓,仍有擴散造成的微小電流隨閘極電壓呈指數變化而流動的區域。表示電流變化陡峭程度的S值在室溫下約以60mV/dec為極限,降低臨界電壓會使漏電急增,因此成為降低電源電壓與微縮化的重大限制。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

次臨界區(Subthreshold Region)是指MOS電晶體的閘極電壓低於臨界電壓(Vth),電晶體原本應為關閉狀態,卻仍有微小汲極電流流動的區域。此電流稱為次臨界電流(次臨界漏電),是在通道形成反轉層之前的階段,載子藉由擴散流動所產生。其特點是電流隨閘極電壓呈指數變化。

表示次臨界區電流變化陡峭程度的是次臨界擺幅(S值,次臨界係數),以使電流變化10倍所需的閘極電壓變化(mV/dec)表示。S值越小,就能以較小的電壓迅速導通・關斷電晶體,並保持較小的關閉電流。一般MOS電晶體在室溫下,原理上無法使S值小於約60mV/dec,這是由載子的熱分布所決定的極限(波茲曼極限)。

次臨界特性直接關係到功耗與微縮化。要降低電源電壓,也必須降低臨界電壓,但S值無法低於約60mV/dec,因此降低臨界電壓會使關閉時的漏電流呈指數增加。這是登納德縮放(Dennard scaling)走入瓶頸的一大原因。微縮化使閘極控制力減弱時S值會惡化,因此以立體包覆通道的FinFET或GAA提高閘極控制力,維持接近理想的數值。為了實現突破60mV/dec極限的陡峭開關,穿隧FET與負電容FET也在研究中。反之,也有利用次臨界區微小電流、以超低功耗運作的電路。

次臨界區(次臨界擺幅)的常見問題

次臨界擺幅的60mV/dec是什麼意思?
是一般MOS電晶體在室溫下所能達到的S值理論極限,意思是使電流變化10倍至少需要約60mV的閘極電壓變化。它由載子的熱分布決定,因此即使改良結構,一般電晶體也無法低於此值。
次臨界漏電為什麼是個問題?
因為要降低電源電壓以減少功耗,也必須降低臨界電壓,但S值有極限,降低臨界電壓會使關閉時流動的漏電流呈指數增加。晶片整體的待機功耗會因此大幅增加。

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