Понимание компонентов тока утечки в МОП-транзисторах с коротким каналом

В этой статье рассматриваются основы МОП-транзисторов с целью лучшего понимания тока утечки, который может возникать в таких транзисторах.

МОП-транзисторы уменьшаются, чтобы максимизировать плотность их корпусов внутри интегральных схем. Это привело к уменьшению толщины оксида, что, в свою очередь, привело к снижению порогового напряжения МОП-устройств. При более низких пороговых напряжениях ток утечки становится значительным и способствует рассеиванию мощности. Вот почему так важно знать различные типы токов утечки в МОП-транзисторе.

Прежде чем мы попытаемся понять различные компоненты тока утечки, давайте сначала вернемся к концепции сердечника МОП-транзистора. Это поможет нам лучше понять тему.

Возвращение к структуре МОП-транзистора

Структура МОП-транзистора состоит из металла, оксида и полупроводниковой структуры (следовательно, МОП).

Рассмотрим NMOS-транзистор с p-подложкой и n + диффузионными колодцами в качестве выводов стока и истока. Оксидный слой состоит из SiO ₂ . и выращивается над каналом между стоком и истоком. Вывод затвора изготовлен из поликремния или алюминия, легированного n +.

Рисунок 1. NMOS-транзистор с высоты птичьего полета. Все изображения предоставлены С. М. Кангом, Ю. Леблебичи, CMOS Digital Integrated Circuits, ТМХ, 2003, глава 3, стр:83-93

В несмещенном состоянии pn-переходы на границе сток / исток и подложка имеют обратное смещение. Диаграмма энергетических зон транзистора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Диаграмма энергетических зон несмещенного NMOS-транзистора

Как видите, уровни Ферми металла, оксида и полупроводника выравниваются. Из-за падения напряжения на границе оксид-полупроводник наблюдается изгиб энергетических зон Si. Направление встроенного электрического поля - от металла к оксиду и полупроводнику, а направление падения напряжения противоположно направлению электрического поля.

Это падение напряжения происходит из-за разницы в работе выхода между металлом и полупроводником (часть падения напряжения происходит на оксиде, а остальная часть - на Si-SiO ₂ интерфейс). Работа выхода - это количество энергии, необходимое электронам для выхода с уровня Ферми в свободное пространство. Вы можете больше узнать о диаграмме полос МОП-транзистора и изгибе полосы в этом видео от Джордана Эдмундса.

Накопление

Затем предположим, что на затворе есть отрицательное напряжение, а на истоке заземлены сток и подложка. Из-за отрицательного напряжения отверстия в подложке (основные носители) притягиваются к поверхности. Это явление называется накоплением. Неосновные носители в подложке (электроны) вдавливаются глубоко в нее. Соответствующая диаграмма энергетических зон приведена ниже.

Рисунок 3. Диаграмма энергетического диапазона NMOS-транзистора с отрицательным напряжением на затворе

Поскольку направление электрического поля - от полупроводника к оксиду и металлу, энергетические зоны изгибаются в противоположном направлении. Также обратите внимание на сдвиги в уровнях Ферми.

Истощение и истощение регионов

В качестве альтернативы, считайте, что напряжение затвора просто больше нуля. Отверстия отталкиваются обратно в подложку, и канал очищается от любых мобильных носителей заряда. Это явление называется истощением, и создается область истощения, более широкая, чем в несмещенном состоянии.

Рисунок 4. Область истощения в NMOS

Рисунок 5. Соответствующая диаграмма энергетических зон для области обеднения NMOS, показанная на рисунке 4

Поскольку электрическое поле распространяется от металла к оксиду и полупроводнику, энергетические зоны изгибаются вниз.

Инверсия поверхности

Если положительное напряжение на затворе еще больше увеличивается, неосновные носители в подложке (электроны) притягиваются к поверхности канала. Это явление называется поверхностной инверсией, а напряжение затвора, при котором поверхность просто инвертируется, известно как пороговое напряжение (V _th ).

Рисунок 6. Поверхностная инверсия в NMOS-транзисторе

Рисунок 7. Соответствующая диаграмма энергетических диапазонов для транзистора NMOS, показанная на рисунке 6

Электроны создают канал проводимости между истоком и стоком. Если затем напряжение стока увеличивается от нулевого потенциала, ток стока (I _d ) начинает течь между истоком и стоком. Энергетические зоны изгибаются дальше вниз и на границе полупроводник-оксид.

Здесь собственный уровень Ферми меньше уровня Ферми подложки p-типа. Это подтверждает точку зрения, что на поверхности полупроводник n-типа (на диаграммах энергетических зон материала n-типа собственный уровень Ферми находится на более низком уровне энергии, чем уровень энергии донора).

В следующей статье мы выделим шесть типов тока утечки, обнаруженных в МОП-транзисторах.