臨界電壓(Vth:Threshold Voltage,又稱門檻電壓)是使 MOSFET(場效電晶體)導通所需的最小閘極電壓。當閘極電壓超過 Vth,通道區域會形成反轉層(電流路徑),電流開始從源極流向汲極。Vth 是決定電晶體開關動作、功耗與速度最基本的參數之一。
Vth 低時,電晶體能以較小的閘極電壓導通,有利於高速運作,但關閉時的漏電流增加,使待機功耗變大。反之,Vth 高時漏電流減少,但運作變慢。為管理此取捨,先進邏輯會在1顆晶片內製作多種 Vth(Multi-Vt:高速用的 LVT、低漏電用的 HVT 等),並依電路區塊進行最佳化。
Vth 透過閘極絕緣膜的厚度與材料(High-k)、閘極電極的功函數(金屬閘極)、通道的摻雜濃度等進行設計與調整。在 HKMG(High-k/金屬閘極)技術中,藉由功函數金屬的選擇分別控制 nMOS 與 pMOS 的 Vth。微縮越推進,抑制製造變異造成的 Vth 波動(隨機變異)就越成為良率的關鍵。
當短通道效應(SCE)變得顯著時,會出現汲極電壓使 Vth 下降的 DIBL 等現象,使關閉電流難以控制。這正是促使電晶體轉向 FinFET 與 GAA(環繞式閘極)等立體結構的根本原因;Vth 的穩定控制是微縮時代電晶體設計的核心課題。