La inestabilidad de temperatura de polarización negativa ( NBTI ) es un problema clave de confiabilidad en los MOSFET , un tipo de envejecimiento de transistores . NBTI se manifiesta como un aumento en el voltaje de umbral y la consiguiente disminución en la corriente de drenaje y la transconductancia de un MOSFET. La degradación a menudo se aproxima mediante una dependencia de ley de potencia en el tiempo. Es una preocupación inmediata en los dispositivos MOS de canal p (pMOS), ya que casi siempre operan con voltaje negativo de puerta a fuente; sin embargo, el mismo mecanismo también afecta a los transistores nMOS cuando están polarizados en el régimen de acumulación, es decir, con una polarización negativa aplicada a la puerta.
Más específicamente, con el tiempo, las cargas positivas quedan atrapadas en el límite de óxido-semiconductor debajo de la puerta de un MOSFET. Estas cargas positivas cancelan parcialmente el voltaje negativo de la puerta sin contribuir a la conducción a través del canal como se supone que lo hacen los huecos de electrones en el semiconductor. Cuando se elimina el voltaje de la puerta, las cargas atrapadas se disipan en una escala de tiempo de milisegundos a horas. El problema se ha vuelto más agudo a medida que los transistores se han reducido, ya que hay menos promedio del efecto sobre un área de puerta grande. Por lo tanto, diferentes transistores experimentan diferentes cantidades de NBTI, derrotando las técnicas de diseño de circuitos estándar para tolerar la variabilidad de fabricación que depende de la estrecha coincidencia de los transistores adyacentes.
NBTI se ha vuelto importante para la electrónica portátil porque interactúa mal con dos técnicas comunes de ahorro de energía: voltajes operativos reducidos y control de reloj . Con voltajes operativos más bajos, el cambio de voltaje de umbral inducido por NBTI es una fracción mayor del voltaje lógico e interrumpe las operaciones. Cuando se desactiva un reloj, los transistores dejan de cambiar y los efectos NBTI se acumulan mucho más rápidamente. Cuando se vuelve a habilitar el reloj, los umbrales del transistor han cambiado y es posible que el circuito no funcione. Algunos diseños de baja potencia cambian a un reloj de baja frecuencia en lugar de detenerse por completo para mitigar los efectos NBTI.
Se han debatido los detalles de los mecanismos de NBTI, pero se cree que contribuyen dos efectos: atrapar agujeros cargados positivamente y generar estados de interfaz.
La existencia de dos mecanismos coexistentes ha dado lugar a una controversia científica sobre la importancia relativa de cada componente y sobre el mecanismo de generación y recuperación de los estados de interfaz.
En los dispositivos submicrométricos, se incorpora nitrógeno en el óxido de puerta de silicio para reducir la densidad de corriente de fuga de la puerta y evitar la penetración de boro . Se sabe que la incorporación de nitrógeno mejora NBTI. Para las nuevas tecnologías (45 nm y longitudes de canal nominales más cortas), las pilas de compuertas de metal de alto κ se utilizan como alternativa para mejorar la densidad de corriente de la compuerta para un espesor de óxido equivalente (EOT) dado. Incluso con la introducción de nuevos materiales como el óxido de hafnio en la pila de puertas, el NBTI permanece y, a menudo, se ve exacerbado por la captura de carga adicional en la capa de alto κ.