MOS管漏电流产生的原因

2023-11-14

功耗是由漏电流引起的,尤其是在较低阈值电压下。了解MOS晶体管漏电流的六种不同原因。

1.反向偏置pn结泄漏电流

在晶体管操作期间,MOS晶体管的漏极/源极和衬底结被反向偏置。因此,器件的漏电流被反向偏置。这种漏电流可能是由反向偏置区域中的少数载流子漂移/扩散以及雪崩效应产生的电子-空穴对引起的。pn结处的反向偏置漏电流由掺杂浓度和结面积决定。

在漏极/源极和衬底区域中的强掺杂pn结中,带对带隧穿(BTBT)效应主导反向偏置漏电流。电子在带间隧穿中从p价区的带直接隧穿到n导通区的带。对于大于10 6 V/cm的电场,BTBT是明显的。

2.亚阈值泄漏电流

当栅极电压小于阈值(Vth)但大于零时,晶体管被认为在亚阈值或弱反转区中被偏置。在弱反转中,少数载流子的浓度很小,但不是零。在|VDS|典型值>0.1V的情况下,整个电压降发生在漏极-衬底pn结处。

平行于漏极和源极之间的Si-SiO接触的电场分量是最小的。由于电场较小,漂移电流较低,亚阈值电流主要是扩散电流。

漏极引起的势垒降低(DIBL)是亚阈值漏电流的主要原因。漏极和源极的耗尽区在短沟道器件中相互作用以降低源极势垒。亚阈值泄漏电流源自于将电荷载流子注入沟道表面的源极。

DIBL在高漏极电压和短沟道器件中是明显的。

MOS器件的阈值电压随着沟道长度的减小而下降。V th滚降是对这种现象(或阈值电压滚降)的命名。短沟道器件中的漏极和源极耗尽区进一步延伸到沟道长度中,耗尽沟道的一部分。

因此,反转沟道需要较低的栅极电压,从而降低阈值电压。这种效应在较高的漏极电压下更为明显。因为亚阈值电流与阈值电压成反比,所以降低阈值电压会增加亚阈值泄漏电流。

泄漏电流也受到温度的影响。阈值电压随着温度的升高而下降。换句话说,随着温度的升高,亚阈值电流也会升高。

3.隧穿栅极氧化物泄漏电流

薄栅极氧化物在短沟道器件中的SiO层上提供大的电场。当氧化物厚度较低且电场较高时,电子从衬底隧穿到栅极,并从栅极穿过栅极氧化物隧穿到衬底,从而产生栅极-氧化物隧穿电流。

4.由于从衬底到栅极氧化物的热载流子注入而导致的漏电流

衬底-氧化物界面附近的高电场激发电子或空穴,这些电子或空穴穿过衬底-氧化物接口并进入短沟道器件中的氧化物层。热载流子注入就是这种现象的术语。

电子比空穴更容易受到这种现象的影响。这是由于电子比空穴具有更低的有效质量和更低的势垒高度。

5.栅极感应漏极压降(GIDL)引起的漏电流

以具有p型衬底的NMOS晶体管为例。当栅极端子处存在负电压时,正电荷仅在氧化物衬底界面处建立。由于空穴积聚在衬底上,表面表现为比衬底更强的掺杂p区。

结果,沿着漏极-衬底接触的耗尽区在表面附近更薄(与本体中的耗尽区的厚度相比)。

雪崩和带间隧道效应(如本研究第一部分所述)是由于薄的耗尽区和较大的电场而发生的。结果,在栅极下方的漏极区域中产生少数载流子,并且负栅极电压将它们推入衬底。泄漏电流因此而上升。

6.穿孔效应引起的泄漏电流

因为在短沟道器件中,漏极和源极靠近在一起,所以两个端子的耗尽区会聚并最终重叠。据说在这种情况下发生了“渗透”。

对于大多数来自源的载流子,穿透效应降低了势垒。因此,进入衬底的载流子的数量增加。漏极收集其中一些载流子,而其余载流子产生漏电流。

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