探究MOS晶體管中各種類型的泄漏電流的原因

漏電流會導(dǎo)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(jié)漏電流
• 亞閾值漏電流
  • 排水誘導(dǎo)勢壘降低
  • V th滾降
  • 工作溫度的影響
• 隧穿進(jìn)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(dǎo)致的漏電流
• 柵極感應(yīng)漏極降低 (GIDL) 導(dǎo)致的泄漏電流

1. 反向偏置 pn 結(jié)漏電流

MOS晶體管中的漏極/源極和襯底結(jié)在晶體管工作期間被反向偏置。這會導(dǎo)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(kuò)散以及雪崩效應(yīng)導(dǎo)致的電子空穴對的產(chǎn)生。pn結(jié)反向偏置漏電流取決于摻雜濃度和結(jié)面積。

對于漏極/源極和襯底區(qū)域的重?fù)诫s pn 結(jié)，帶間隧穿 (BTBT) 效應(yīng)在反向偏置漏電流中占主導(dǎo)地位。在帶間隧穿中，電子直接從 p 區(qū)的價(jià)帶隧穿到 n 區(qū)的導(dǎo)帶。BTBT 對于大于 10 6 V/cm 的電場是可見的。

圖 1. MOS 晶體管反向偏置 pn 結(jié)中的帶間隧道效應(yīng)。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(jī)制和泄漏減少技術(shù)”；過程。IEEE，卷。91，第 2 期，2003 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(yuǎn)小于勢壘時(shí)也會發(fā)生。

2. 亞閾值漏電流

當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓 (V th ) 但大于零時(shí)，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 |V DS |的典型值 > 0.1V 并且整個(gè)電壓降發(fā)生在漏-襯底 pn 結(jié)上。

漏極和源極之間平行于Si-SiO 2界面的電場分量很小。由于這個(gè)可以忽略的電場，漂移電流可以忽略不計(jì)，亞閾值電流主要由擴(kuò)散電流組成。

排水誘導(dǎo)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?qū)㈦姾奢d流子注入通道表面，從而導(dǎo)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。

V th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 V th 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(jìn)一步進(jìn)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(zhuǎn)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?yàn)閬嗛撝惦娏髋c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?；蛘撸瑩Q句話說，亞閾值電流隨著溫度的升高而增加。

3. 隧道進(jìn)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 SiO 2層上產(chǎn)生高電場。具有高電場的低氧化物厚度導(dǎo)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(chǎn)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(fù)柵極電壓的 MOS 晶體管的能帶圖

第一個(gè)圖，圖 2(a)，是一個(gè)平帶 MOS 晶體管，即其中不存在電荷。

當(dāng)柵極端子正偏時(shí)，能帶圖發(fā)生變化，如第二張圖所示，圖 2(b)。強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)表面處的電子隧道進(jìn)入或穿過SiO 2層，從而產(chǎn)生柵極電流。

另一方面，當(dāng)施加負(fù)柵極電壓時(shí)，來自 n+ 多晶硅柵極的電子隧道進(jìn)入或穿過 SiO 2層，從而產(chǎn)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(jī)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(jī)制的能帶圖。

4. 熱載流子從基板注入到柵極氧化物導(dǎo)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(jìn)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(yīng)） *

這種現(xiàn)象比空穴更容易影響電子。這是因?yàn)榕c空穴相比，電子具有較小的有效質(zhì)量和較小的勢壘高度。

5. 柵極感應(yīng)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(dāng)柵極端有負(fù)電壓時(shí)，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?fù)诫s的 p 區(qū)。

這導(dǎo)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(yīng)和 BTBT 產(chǎn)生的載流子導(dǎo)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(yīng)和帶間隧道效應(yīng)（如本文第一部分所述）。因此，在柵極下方的漏區(qū)中產(chǎn)生少數(shù)載流子，并被負(fù)柵極電壓推入襯底。這增加了泄漏電流。

6. 穿通效應(yīng)導(dǎo)致的漏電流

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

穿通效應(yīng)從源頭降低了大多數(shù)載流子的勢壘。這增加了進(jìn)入襯底的載流子的數(shù)量。其中一些載流子被漏極收集，其余載流子產(chǎn)生漏電流。