MOS三极管漏电流的六大原因

漏电流会导致功耗，尤其是在较低的阈值电压下。了解 MOS 晶体管中的六种漏电流。

在讨论MOS晶体管时，短沟道器件中的漏电流成分基本上有六种：

• 反向偏置-pn结漏电流
• 亚阈值漏电流
  • 漏极引起的屏障降低
  • Vth 滚降
  • 工作温度的影响
• 隧道进入和穿过栅极氧化物漏电流
• 由于热载流子从衬底注入栅极氧化物导致的漏电流
• 栅极感应漏极降低 (GIDL) 导致的漏电流

在继续之前，请确保您熟悉 MOS 晶体管的基本概念，这将为您准备以下信息。

1.反向偏置 pn 结漏电流

MOS 晶体管中的漏极/源极和衬底结在晶体管工作期间被反向偏置。这会导致器件中的反向偏置漏电流。这种漏电流可能是由于反向偏置区域中少数载流子的漂移/扩散以及雪崩效应导致的电子-空穴对的产生。 pn结反向偏置漏电流取决于掺杂浓度和结面积。

对于漏极/源极和衬底区域的重掺杂 pn 结，带间隧穿 (BTBT) 效应支配着反向偏置漏电流。在带间隧穿中，电子直接从 p 区的价带隧穿到 n 区的导带。 BTBT 对于大于 10 ⁶ 的电场可见 伏/厘米。

图 1. MOS 晶体管反向偏置 pn 结中的带间隧穿。所有图片均由 K.Roy 等人提供，“深亚微米 CMOS 电路中的泄漏电流机制和泄漏减少技术”；过程IEEE，卷。 91, No. 2, 2003 年 2 月。

请注意，在本文的上下文中，我们将隧道现象定义为即使电子能量远小于势垒也会发生。

2.亚阈值漏电流

当栅极电压小于阈值电压 (Vth) 但大于零时，晶体管被称为在亚阈值或弱反型区偏置。在弱反转中，少数载流子的浓度很小但不是零。在这种情况下，对于典型值 |VDS|> 0.1V，整个电压降发生在漏极-衬底 pn 结上。

平行于 Si-SiO2 界面的漏极和源极之间的电场分量很小。由于这个电场可以忽略不计，漂移电流可以忽略不计，亚阈值电流主要由扩散电流组成。

漏电势垒降低 (DIBL)

亚阈值漏电流主要是由于漏感应势垒降低或 DIBL。在短沟道器件中，漏极和源极的耗尽区相互影响，降低了源极的势垒。然后源极能够将电荷载流子注入沟道表面，从而导致亚阈值漏电流。

DIBL 在高漏极电压和短沟道器件中很明显。

Vth 滚降

由于沟道长度减少，MOS器件的阈值电压降低。这种现象称为 Vth 滚降（或阈值电压滚降）。在短沟道器件中，漏极和源极耗尽区进一步进入沟道长度，耗尽了一部分沟道。

因此，需要较小的栅极电压来反转沟道，从而降低阈值电压。对于较高的漏极电压，这种现象很明显。阈值电压的降低会增加亚阈值漏电流，因为亚阈值电流与阈值电压成反比。

工作温度的影响

温度对漏电流也有影响。阈值电压随温度升高而降低。或者换句话说，亚阈值电流随着温度的升高而增加。

3.隧道进入和通过栅极氧化物泄漏电流

在短沟道器件中，薄的栅极氧化物会导致 SiO2 层上的高电场。低氧化物厚度和高电场导致电子从衬底到栅极以及从栅极到衬底通过栅极氧化物隧穿，从而导致栅极氧化物隧穿电流。

考虑如图所示的能带图。

图 2. MOS晶体管的能带图与(a) 平带，(b) 一个正栅极电压，和 (c) 负栅极电压

第一个图，图 2(a)，是一个平带 MOS 晶体管，即其中没有电荷存在。

当栅极端子正偏置时，能带图发生变化，如图 2(b) 中的第二个图所示。强烈反转表面的电子隧道进入或穿过SiO2层，从而产生栅极电流。

另一方面，当施加负栅极电压时，来自 n+ 多晶硅栅极的电子隧道进入或穿过 SiO2 层，从而产生栅极电流，如图 2(c) 所示。

Fowler-Nordheim 隧道和直接隧道

栅极和衬底之间主要有两种类型的隧道机制。它们是：

• Fowler-Nordheim 隧穿，其中电子穿过三角形势垒
• 直接隧穿，其中电子穿过梯形势垒

图 3。 能带图显示 (a) Fowler-Nordheim 隧道穿过氧化物的三角形势垒和 (b) 通过氧化物梯形势垒的直接隧穿

您可以在上面的图 3(a) 和 3(b) 中看到两种隧穿机制的能带图。

4.热载流子从基板注入栅极氧化物导致的漏电流

在短沟道器件中，衬底-氧化物界面附近的高电场激发电子或空穴，它们穿过衬底-氧化物界面进入氧化物层。这种现象称为热载流子注入。

图 4。 能带图描绘了由于高电场和跨越氧化物势垒电位（热载流子注入效应）而获得足够能量的电子

这种现象比空穴更可能影响电子。这是因为与空穴相比，电子具有较小的有效质量和较小的势垒高度。

5.栅极感应漏极降低 (GIDL) 导致的漏电流

考虑具有 p 型衬底的 NMOS 晶体管。当栅极端有负电压时，正电荷仅在氧化物-衬底界面处积聚。由于在衬底上积累的空穴，表面表现为比衬底更重掺杂的p区。

这导致沿漏极-衬底界面的表面耗尽区更薄（与体中耗尽区的厚度相比）。

图 5。 (a) 在漏极-衬底界面沿表面和(b)形成薄耗尽区 由雪崩效应和BTBT产生的载流子引起的GIDL电流的流动

由于薄耗尽区和更高的电场，会发生雪崩效应和带间隧道效应（如本文第一部分所述）。因此，栅极下方漏区中的少数载流子产生并被负栅极电压推入衬底。这会增加漏电流。

6.穿通效应引起的漏电流

在短沟道器件中，由于漏极和源极端子的接近，两个端子的耗尽区聚集在一起并最终合并。在这种情况下，据说发生了“穿通”。

穿通效应降低了来自源头的大多数载流子的势垒。这增加了进入基板的载流子数量。其中一些载流子被漏极收集，其余载流子有助于漏电流。

您现在应该熟悉与 MOS 晶体管相关的六种类型的漏电流。如果您对这些概念还有其他疑问，请在下方留言。