探究MOS晶體管中各種類型的泄漏電流的原因

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漏電流會導致功耗，尤其是在較低的（閾值電壓）下。了解可在MOS（晶體管）中找到的六種泄漏電流原因。

反向偏置-pn結漏電流亞閾值漏電流排水誘導勢壘降低Vth滾降工作溫度的影響隧穿進入和通過柵極氧化層漏電流熱載流子從襯底注入到柵氧化層導致的漏電流柵極感應漏極降低(GIDL)導致的泄漏電流1.反向偏置pn結漏電流

MOS晶體管中的漏極/源極和襯底結在晶體管工作期間被反向偏置。這會導致器件中出現(xiàn)反向偏置的漏電流。這種漏電流可能是由于反向偏置區(qū)域中少數(shù)載流子的漂移/擴散以及雪崩效應導致的（電子）空穴對的產生。pn結反向偏置漏電流取決于摻雜濃度和結面積。

對于漏極/源極和襯底區(qū)域的重摻雜pn結，帶間隧穿(BTBT)效應在反向偏置漏電流中占主導地位。在帶間隧穿中，電子直接從p區(qū)的價帶隧穿到n區(qū)的導帶。BTBT對于大于106V/cm的電場是可見的。

圖1.MOS晶體管反向偏置pn結中的帶間隧道效應。所有圖片均由K.Roy等人提供，“深亞微米CMOS電路中的泄漏電流機制和泄漏減少技術”；過程。IEEE，卷。91，第2期，2023年2月。請注意，在本文的上下文中，我們將隧穿現(xiàn)象定義為即使電子的能量遠小于勢壘時也會發(fā)生。

2.亞閾值漏電流

當柵極電壓小于閾值電壓(Vth)但大于零時，稱晶體管偏置在亞閾值或弱反型區(qū)域。在弱反演中，少數(shù)載流子的濃度很小但不為零。在這種情況下，對于|VDS|的典型值>0.1V并且整個電壓降發(fā)生在漏-襯底pn結上。

漏極和源極之間平行于Si-SiO2界面的電場分量很小。由于這個可以忽略的電場，漂移（電流）可以忽略不計，亞閾值電流主要由擴散電流組成。

排水誘導屏障降低(DIBL)亞閾值漏電流主要是由于漏極引起的勢壘降低或DIBL。在短溝道器件中，漏極和源極的耗盡區(qū)相互作用，降低了源極的勢壘。然后，源能夠將電荷載流子注入通道表面，從而導致亞閾值泄漏電流。

DIBL在高漏極電壓和短溝道器件中很明顯。

Vth滾降MOS器件的閾值電壓由于溝道長度減小而降低。這種現(xiàn)象稱為Vth滾降（或閾值電壓滾降）。在短溝道器件中，漏極和源極耗盡區(qū)進一步進入溝道長度，耗盡一部分溝道。

因此，需要較小的柵極電壓來反轉溝道，從而降低閾值電壓。這種現(xiàn)象對于較高的漏極電壓很明顯。閾值電壓的降低增加了亞閾值漏電流，因為亞閾值電流與閾值電壓成反比。

工作溫度的影響溫度也在泄漏電流中起作用。閾值電壓隨溫度升高而降低?；蛘?，換句話說，亞閾值電流隨著溫度的升高而增加。

3.隧道進入和通過柵極氧化物泄漏電流

在短溝道器件中，薄的柵極氧化物會在SiO2層上產生高電場。具有高電場的低氧化物厚度導致電子從襯底隧穿到柵極以及從柵極通過柵極氧化物隧穿到襯底，從而產生柵極氧化物隧穿電流。

考慮如圖所示的能帶圖。

圖2.具有(a)平帶、(b)正柵極電壓和(c)負柵極電壓的MOS晶體管的能帶圖第一個圖，圖2(a)，是一個平帶MOS晶體管，即其中不存在電荷。

當柵極端子正偏時，能帶圖發(fā)生變化，如第二張圖所示，圖2(b)。強烈反轉表面處的電子隧道進入或穿過SiO2層，從而產生柵極電流。

另一方面，當施加負柵極電壓時，來自n+多晶硅柵極的電子隧道進入或穿過SiO2層，從而產生柵極電流，如圖2(c)所示。

Fowler-Nordheim隧道和直接隧道在柵極和襯底之間主要有兩種隧道機制。他們是：

Fowler-Nordheim隧穿，其中電子隧穿三角形勢壘直接隧穿，其中電子隧穿梯形勢壘

圖3.能帶圖顯示(a)Fowler-Nordheim隧穿通過氧化物的三角形勢壘和(b)直接隧穿通過氧化物的梯形勢壘您可以在上面的圖3(a)和3(b)中看到兩種隧道機制的能帶圖。

4.熱載流子從基板注入到柵極氧化物導致的泄漏電流

在短溝道器件中，襯底-氧化物界面附近的高電場激發(fā)電子或空穴，它們穿過襯底-氧化物界面進入氧化物層。這種現(xiàn)象稱為熱載流子注入。

*圖4.描述電子由于高電場獲得足夠能量并越過氧化物勢壘的能帶圖（熱載流子注入效應）*這種現(xiàn)象比空穴更容易影響電子。這是因為與空穴相比，電子具有較小的有效質量和較小的勢壘高度。

5.柵極感應漏極降低(GIDL)引起的漏電流

考慮具有p型襯底的NMOS晶體管。當柵極端有負電壓時，正電荷僅在氧化物-基板界面處積聚。由于在襯底上積累的空穴，表面表現(xiàn)為比襯底更重摻雜的p區(qū)。

這導致沿漏極-襯底界面的表面處的耗盡區(qū)更?。ㄅc體中耗盡區(qū)的厚度相比）。

*圖5.(a)在漏極-襯底界面沿表面形成薄耗盡區(qū)和(b)由于雪崩效應和BTBT產生的載流子導致的GIDL電流流動*由于薄的耗盡區(qū)和較高的電場，會發(fā)生雪崩效應和帶間隧道效應（如本文第一部分所述）。因此，在柵極下方的漏區(qū)中產生少數(shù)載流子，并被負柵極電壓推入襯底。這增加了泄漏電流。

6.穿通效應導致的漏電流

在短溝道器件中，由于漏極和源極接近，兩個端子的耗盡區(qū)會聚在一起并最終合并。在這種情況下，據說發(fā)生了“穿透”。

穿通效應從源頭降低了