了解短沟道 MOS 晶体管中的漏电流分量

本文介绍了 MOS 晶体管的基础知识，以期更好地了解此类晶体管中可能出现的漏电流。

MOS 晶体管正在按比例缩小，以最大限度地提高集成电路内部的封装密度。这导致氧化物厚度的减少，进而降低了 MOS 器件的阈值电压。在较低的阈值电压下，漏电流变得很重要，并且会导致功耗。这就是为什么了解 MOS 晶体管中各种类型的漏电流至关重要。

在我们尝试了解各种漏电流组件之前，让我们先回顾一下 MOS 晶体管核心概念。这将有助于我们更好地了解该主题。

再谈 MOS 晶体管结构

MOS晶体管结构由金属、氧化物和半导体结构（因此，MOS）组成。

考虑具有 p 衬底和 n+ 扩散阱作为漏极和源极端子的 NMOS 晶体管。氧化层由 SiO2 制成，生长在漏极和源极之间的沟道上方。栅极端子由n+掺杂多晶硅或铝制成。

图 1. NMOS 晶体管的鸟瞰图。所有图片均来自 S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, ch.3, pp:83-93

在无偏压条件下，漏极/源极和衬底界面的pn结是反向偏置的。该晶体管的能带图如图2所示。

图 2。 无偏NMOS晶体管的能带图

如您所见，金属、氧化物和半导体的费米能级相互对齐。由于氧化物-半导体界面处的电压降，Si 能带出现弯曲。内建电场方向从金属到氧化物再到半导体，电压降方向与电场方向相反。

这种电压降是由于金属和半导体之间的功函数差异而发生的（部分电压降发生在氧化物上，其余发生在 Si-SiO2 界面上）。功函数是电子从费米能级逃逸到自由空间所需的能量。您可以在 Jordan Edmunds 的这个视频中了解更多关于 MOS 晶体管能带图和能带弯曲的信息。

积累

接下来，假设栅极具有负电压，而漏极和衬底接地的源极。由于负电压，衬底中的空穴（主要载流子）被吸引到表面。这种现象称为积累。衬底中的少数载流子（电子）被推回深处。相应的能带图如下。

图 3。 栅极端负电压的NMOS晶体管的能带图

由于电场的方向是从半导体到氧化物再到金属，因此能带向相反方向弯曲。另外，请注意费米能级的变化。

耗尽区和耗尽区

或者，考虑栅极电压刚好大于零。孔被排斥回基板，并且通道耗尽任何移动电荷载体。这种现象称为耗尽，并产生比无偏条件下更宽的耗尽区域。

图 4。 NMOS中的耗尽区

图 5。 NMOS耗尽区对应的能带图如图4

由于电场从金属到氧化物再到半导体，能带向下弯曲。

表面反转

如果栅极的正电压进一步增加，衬底中的少数载流子（电子）就会被吸引到沟道表面。这种现象称为表面反转，表面刚好反转的栅极电压称为阈值电压（Vth）。

图 6. NMOS晶体管中的表面反转

图 7。 NMOS晶体管对应的能带图如图6

电子在源极和漏极之间形成传导通道。如果随后漏极电压从零电位增加，则漏极电流 (Id) 开始在源极和漏极之间流动。能带进一步向下弯曲，在半导体-氧化物界面处。

这里，本征费米能级低于 p 型衬底的费米能级。这支持了这样的观点，即在表面上，半导体是 n 型的（在 n 型材料的能带图中，本征费米能级的能级低于施主能级）。

在下一篇文章中，我们将描述 MOS 晶体管中发现的六种漏电流。