Понимание шести основных механизмов утечки в MOS-транзисторах

Ток утечки может существенно способствовать рассеиваемой мощности, особенно при масштабировании устройств к более низким пороговым напряжениям. Рассмотрим шесть самых частых путей утечки в современных MOS-транзисторах.

В короткоканальных MOSFET следуют механизмы утечки доминируют:

• Утечка обратно смещенного p-n перехода
• Субпороговая утечка
  • Снижение барьера, индуцированное стоком (DIBL)
  • Спад порогового напряжения
  • Температурная зависимость
• Туннельная утечка через затвор-оксид (прямая и Фоулера-Нордхайма)
• Горячая инъекция носителей в затвор-оксид
• Снижение стока, индуцированное затвором (GIDL)
• Пробивная утечка (punch-through)

Знакомство с базовой работой MOSFET поможет понять нюансы каждого механизма.

1. Утечка обратно смещенного p-n перехода

Во время нормальной работы сток-источник и подложка переходов MOSFET обратно смещены. Утечка в этих переходах возникает из-за дрейфа/диффузии меньшинственных носителей и лавинного поколения. Ее величина зависит от концентрации легирования и площади перехода. В сильно легированных областях полосный туннелинг (BTBT) становится доминирующим путем утечки, особенно при электрических полях выше 10⁶ В/см.

2. Субпороговая утечка

Когда напряжение на затворе ниже порогового (V_th), но выше нуля, транзистор работает в области слабой инверсии. Меньшинственные носители все еще существуют, и при |V_DS| > 0.1 В все падение напряжения происходит на сток-подложка переходе, результатом чего является диффузионно-доминантный ток.

Снижение барьера, индуцированное стоком (DIBL)

В короткоканальных устройствах области обеднения стока и источника перекрываются, снижая потенциальный барьер у источника. Это позволяет носителям внедряться в канал даже при V_GS < V_th, увеличивая субпороговую утечку. DIBL более выражен при высоких стоковых напряжениях.

Спад порогового напряжения

Сокращение канала снижает V_th, так как области обеднения проникают глубже в канал, эффективно снижая необходимое напряжение на затворе для инверсии. Низкое V_th прямо усиливает субпороговый ток, который масштабируется примерно как 1/V_th.

Температурная зависимость

Повышенные температуры снижают V_th и увеличивают тепловую скорость носителей, приводя к более высокой субпороговой утечке. Проектировщики должны учитывать этот эффект при задании температурных запасов.

3. Туннельная утечка через затвор-оксид

Ультратонкие затвор-оксиды (≤ 1.5 нм) создают электрические поля, достаточно сильные для туннелирования электронов из подложки в затвор и обратно. Существует два основных механизма туннелирования:

• Туннелирование Фоулера-Нордхайма — электроны преодолевают треугольный барьер.
• Прямое туннелирование — электроны преодолевают трапецеидальный барьер.

4. Инъекция горячих носителей

Вблизи сток-канального перехода высокие электрические поля могут разгонять носители до энергий, превышающих смещение зон Si/SiO₂. Эти горячие носители пересекают границу в затвор-оксид, вызывая постепенное увеличение утечки и итоговую деградацию устройства.

5. Снижение стока, индуцированное затвором (GIDL)

В NMOS на p-подложке отрицательное напряжение на затворе накапливает дырки на границе затвор-оксид, эффективно усиленно легируя поверхность. Это создает тонкую область обеднения вдоль сток-подложка интерфейса, усиливая электрическое поле. Высокое поле запускает лавинное умножение и BTBT, генерируя меньшинственные носители, направляемые в подложку, добавляя к утечке.

6. Пробивная утечка (Punch-through)

Когда области обеднения стока и источника полностью перекрываются, потенциальный барьер между ними коллапсирует. Этот пробивной эффект позволяет носителям из источника проходить прямо в подложку и потенциально достигать стока, создавая значительный путь утечки.

Понимание этих шести механизмов утечки необходимо для проектирования низкопотребляющих, высокопроизводительных MOS-устройств. Для дальнейшего обсуждения оставьте комментарий ниже.