6 причин утечки тока МОП-транзистора

Ток утечки может способствовать рассеиванию мощности, особенно при более низких пороговых напряжениях. Узнайте о шести типах тока утечки, которые можно найти в МОП-транзисторах.

Говоря о МОП-транзисторах, можно выделить шесть типов компонентов тока утечки в устройствах с коротким каналом:

• Обратный ток утечки на pn переход.
• Допороговый ток утечки
  • Снижение барьера из-за дренажа
  • V _th скатиться
  • Влияние рабочей температуры
• Туннелирование и ток утечки оксида затвора.
• Ток утечки из-за инжекции горячих носителей из подложки в оксид затвора.
• Ток утечки из-за опускания стока, вызванного затвором (GIDL).

Прежде чем продолжить, убедитесь, что вы знакомы с основными концепциями МОП-транзисторов, которые подготовят вас к следующей информации.

1. Ток утечки на pn-переходе с обратным смещением

Переходы сток / исток и подложка в МОП-транзисторе имеют обратное смещение во время работы транзистора. Это приводит к обратному смещению тока утечки в устройстве. Этот ток утечки может быть вызван дрейфом / диффузией неосновных носителей в области обратного смещения и генерацией электронно-дырочных пар из-за лавинного эффекта. Обратно смещенный ток утечки на pn переходе зависит от концентрации легирования и площади перехода.

Для сильно легированных pn-переходов областей сток / исток и подложки эффект межзонного туннелирования (BTBT) доминирует над током утечки обратного смещения. При межзонном туннелировании электроны туннелируют прямо из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. BTBT виден для электрических полей более 10 ⁶ В / см.

Рисунок 1. Межполосное туннелирование в обратносмещенном pn переходе МОП-транзистора. Все изображения любезно предоставлены K.Roy и др., «Механизмы тока утечки и методы уменьшения утечки в схемах глубоких субмикронных КМОП»; Proc. IEEE, Vol. 91, No. 2, февраль 2003 г.

Обратите внимание, что в контексте этой статьи мы определяем явление туннелирования как имеющее место, даже когда энергия электрона намного меньше потенциального барьера.

2. Допороговый ток утечки

Когда напряжение затвора меньше порогового напряжения (V _th ), но больше нуля, транзистор считается смещенным в подпороговой области или в области слабой инверсии. В слабой инверсии концентрация неосновных носителей мала, но не равна нулю. В таком случае для типичных значений | V _DS |> 0,1 В, и все падение напряжения происходит на pn переходе сток-подложка.

Составляющая электрического поля между стоком и истоком, параллельная Si-SiO ₂ интерфейс, маленький. Из-за этого незначительного электрического поля дрейфовый ток незначителен, а подпороговый ток в основном состоит из диффузионного тока.

Снижение барьера, вызванное стоком (DIBL)

Допороговый ток утечки в основном происходит из-за снижения барьера, вызванного стоком, или DIBL. В устройствах с коротким каналом обедненные области стока и истока взаимодействуют друг с другом и уменьшают потенциальный барьер на истоке. Затем источник может инжектировать носители заряда на поверхность канала, что приводит к подпороговому току утечки.

DIBL проявляется в устройствах с высоким стоком и короткими каналами.

V _th Откат

Пороговое напряжение МОП-устройств снижается за счет уменьшения длины канала. Это явление называется V _th . спад (или спад порогового напряжения). В устройствах с коротким каналом область истощения стока и истока входит дальше по длине канала, истощая часть канала.

Из-за этого требуется меньшее напряжение затвора, чтобы инвертировать канал, снижая пороговое напряжение. Это явление заметно при более высоких напряжениях стока. Снижение пороговых напряжений увеличивает подпороговый ток утечки, поскольку подпороговый ток обратно пропорционален пороговому напряжению.

Влияние рабочей температуры

Температура также играет роль в токе утечки. Пороговое напряжение уменьшается с повышением температуры. Или, другими словами, подпороговый ток увеличивается с повышением температуры.

3. Туннелирование и сквозной ток утечки оксида затвора

В устройствах с коротким каналом тонкий оксид затвора приводит к возникновению высоких электрических полей на SiO ₂ слой. Низкая толщина оксида с высокими электрическими полями приводит к туннелированию электронов от подложки к затвору и от затвора к подложке через оксид затвора, что приводит к туннельному току оксида затвора.

Рассмотрим диаграммы энергетических зон, как показано.

Рисунок 2. Диаграммы энергетических зон МОП-транзисторов с (а) плоская полоса, (b) положительное напряжение затвора и (c) отрицательное напряжение затвора

На первой диаграмме, рис. 2 (а), показан МОП-транзистор с плоской полосой, то есть в котором нет заряда.

Когда вывод затвора смещен положительно, диаграмма энергетических диапазонов изменяется, как показано на второй диаграмме, рис. 2 (b). Электроны на сильно инвертированной поверхности туннелируют в SiO ₂ или через него. слой, вызывающий ток затвора.

С другой стороны, когда прикладывается отрицательное напряжение затвора, электроны из n + поликремниевого туннеля затвора в или через SiO ₂ слой, вызывающий ток затвора, как показано на Рисунке 2 (c).

Туннелирование Фаулера-Нордхайма и прямое туннелирование

В основном существует два типа механизмов туннелирования между затвором и подложкой. Это:

• Туннелирование Фаулера-Нордхейма, при котором электроны туннелируют через треугольный потенциальный барьер.
• Прямое туннелирование, при котором электроны проходят через потенциальный барьер трапециевидной формы.

Рисунок 3. Диаграммы энергетических диапазонов, показывающие (a) Туннелирование Фаулера-Нордхейма через треугольный потенциальный барьер оксида и (b) Прямое туннелирование через трапециевидный потенциальный барьер оксида

Вы можете увидеть диаграммы энергетических зон для обоих механизмов туннелирования на рисунках 3 (a) и 3 (b) выше.

4. Ток утечки из-за инжекции горячего носителя из подложки в оксид затвора

В устройствах с короткими каналами высокое электрическое поле вблизи границы раздела подложка-оксид возбуждает электроны или дырки, и они пересекают границу раздела подложка-оксид, чтобы войти в оксидный слой. Это явление известно как инжекция горячего носителя.

Рисунок 4. Диаграмма энергетических зон, показывающая, что электроны набирают достаточную энергию из-за высокого электрического поля и пересекают потенциал оксидного барьера (эффект инжекции горячих носителей)

Это явление чаще затрагивает электроны, чем дырки. Это связано с тем, что электроны имеют меньшую эффективную массу и меньшую высоту барьера по сравнению с дырками.

5. Ток утечки из-за снижения стока, вызванного затвором (GIDL)

Рассмотрим NMOS-транзистор с подложкой p-типа. Когда на выводе затвора присутствует отрицательное напряжение, положительные заряды накапливаются только на границе раздела оксид-подложка. Из-за скопления дырок на подложке поверхность ведет себя как p-область, более легированная, чем подложка.

Это приводит к более тонкой области истощения на поверхности вдоль границы раздела сток-подложка (по сравнению с толщиной области истощения в объеме).

Рисунок 5. (а) Формирование тонкой обедненной области на границе сток-подложка вдоль поверхности и (б) течение GIDL тока из-за носителей, генерируемых лавинным эффектом и BTBT

Из-за тонкой обедненной области и более высоких электрических полей имеет место лавинный эффект и межзонное туннелирование (как описано в первом разделе этой статьи). Таким образом, неосновные носители в области стока под затвором генерируются и проталкиваются в подложку отрицательным напряжением затвора. Это увеличивает ток утечки.

6. Ток утечки из-за сквозного эффекта

В устройствах с коротким каналом из-за близости выводов стока и истока области истощения обоих выводов собираются вместе и в конечном итоге сливаются. Говорят, что в таком состоянии произошел «пробой».

Эффект пробивки снижает потенциальный барьер для большинства носителей от источника. Это увеличивает количество носителей, попадающих в подложку. Некоторые из этих носителей собираются стоком, а остальные вносят свой вклад в ток утечки.

Теперь вы должны быть знакомы с шестью типами тока утечки, связанными с МОП-транзисторами. Если у вас есть дополнительные вопросы об этих концепциях, оставьте комментарий ниже.