MOS晶體管漏電流的6個(gè)原因

漏電流會(huì)導(dǎo)致功耗，尤其是在較低閾值電壓下。了解MOS晶體管中可以找到的六種泄漏電流。

在討論MOS晶體管時(shí)，短通道器件中基本上有六種類(lèi)型的漏電流元件：

反向偏置PN結(jié)漏電流

亞閾值漏電流

漏極引起的屏障降低

V千 滾落

工作溫度的影響

隧道進(jìn)入和穿過(guò)柵極氧化層泄漏電流

熱載流子從基板注入柵極氧化物引起的泄漏電流

柵極感應(yīng)漏極降低 （GIDL） 引起的漏電流

在繼續(xù)之前，請(qǐng)確保您熟悉MOS晶體管的基本概念這將使您為以下信息做好準(zhǔn)備。

1. 反向偏置pn結(jié)漏電流

MOS晶體管中的漏極/源極和基板結(jié)在晶體管工作期間反向偏置。這會(huì)導(dǎo)致器件中出現(xiàn)反向偏置漏電流。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)引起的電子-空穴對(duì)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(duì)于漏極/源極和襯底區(qū)域的重?fù)诫spn結(jié)，帶間隧穿（BTBT）效應(yīng)主導(dǎo)反向偏置漏電流。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(duì)于大于10的電場(chǎng)可見(jiàn)6 V/厘米。

圖 1.

MOS 晶體管反向偏置 pn 結(jié)中的帶間隧穿。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(guò)程。 IEEE，卷。 91，第 2 期，2003 年 2 月。

請(qǐng)注意，在本文的上下文中，我們將隧道現(xiàn)象定義為即使電子能量遠(yuǎn)小于勢(shì)壘時(shí)也會(huì)發(fā)生。

2.亞閾值漏電流

當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓（V千）但大于零，則稱(chēng)晶體管偏置在亞閾值或弱反轉(zhuǎn)區(qū)域。在弱反演中，少數(shù)載體的集中度很小，但不為零。在這種情況下，對(duì)于 |VDS|>0.1V，整個(gè)壓降發(fā)生在漏極-基板pn結(jié)兩端。

漏極和源極之間的電場(chǎng)分量，平行于Si-SiO2 接口，很小。由于這種可忽略不計(jì)的電場(chǎng)，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。

漏極誘導(dǎo)屏障降低 （DIBL）

亞閾值漏電流主要是由于漏極引起的勢(shì)壘降低或DIBL。在短通道器件中，漏極和源極的耗盡區(qū)域相互作用，降低了源極處的潛在屏障。然后，源極能夠?qū)㈦姾奢d流子注入通道表面，從而產(chǎn)生亞閾值漏電流。

DIBL在高漏極電壓和短通道器件中很明顯。

V千 滾落

由于通道長(zhǎng)度縮短，MOS器件的閾值電壓降低。這種現(xiàn)象稱(chēng)為V千滾降（或閾值電壓滾降）。在短通道器件中，漏極和源極耗盡區(qū)域進(jìn)一步進(jìn)入通道長(zhǎng)度，耗盡一部分通道。

因此，需要較低的柵極電壓來(lái)反相通道，從而降低閾值電壓。對(duì)于較高的漏極電壓，這種現(xiàn)象很明顯。閾值電壓的降低會(huì)增加亞閾值漏電流，因?yàn)閬嗛撝惦娏髋c閾值電壓成反比。

工作溫度的影響

溫度在漏電流中也起著一定的作用。閾值電壓隨著溫度的升高而降低?；蛘?，換句話(huà)說(shuō)，亞閾值電流隨著溫度的升高而增加。

3. 隧道進(jìn)入和穿過(guò)柵極氧化層泄漏電流

在短通道器件中，薄柵氧化層會(huì)導(dǎo)致SiO兩端的高電場(chǎng)2 層。低氧化物厚度和高電場(chǎng)導(dǎo)致電子從基板隧穿到柵極，從柵極隧穿到柵極氧化物從柵極到基板，從而產(chǎn)生柵極氧化物隧穿電流。

考慮如圖所示的能量帶圖。

圖2.

MOS晶體管的能帶圖

（一）

平帶，

（二）

正柵極電壓，以及

（三）

負(fù)柵極電壓

第一張圖，圖2（a），是一個(gè)扁平帶MOS晶體管，即其中沒(méi)有電荷。

當(dāng)柵極端子正偏置時(shí)，能量帶圖發(fā)生變化，如圖2（b）所示。強(qiáng)倒置表面隧道中的電子進(jìn)入或通過(guò)SiO的隧道2 產(chǎn)生柵極電流的層。

另一方面，當(dāng)施加負(fù)柵極電壓時(shí)，電子從n+多晶硅柵極隧道進(jìn)入或通過(guò)SiO。2 產(chǎn)生柵極電流的層，如圖2（c）所示。

福勒-諾德海姆隧道和直接隧道

柵極和基板之間主要有兩種類(lèi)型的隧道機(jī)制。它們是：

福勒-諾德海姆隧道，其中電子隧道穿過(guò)三角形勢(shì)壘

直接隧穿，電子穿過(guò)梯形勢(shì)壘

圖3.

顯示能量帶圖

（一）

福勒-諾德海姆隧道穿過(guò)氧化物的三角形勢(shì)壘和

（二）

通過(guò)氧化物的梯形電位勢(shì)壘直接隧道

您可以在上面的圖3（a）和3（b）中看到兩種隧道機(jī)制的能量帶圖。

4. 熱載流子從基板注入柵極氧化物引起的泄漏電流

在短通道器件中，基底氧化物界面附近的高電場(chǎng)激勵(lì)電子或空穴，它們穿過(guò)襯底氧化物界面進(jìn)入氧化層。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為熱載體注入。

圖4.

描述電子由于高電場(chǎng)而獲得足夠能量并越過(guò)氧化物勢(shì)壘電位（熱載流子注入效應(yīng)）的能量帶圖

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，電子的有效質(zhì)量和屏障高度較小。

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)柵極端子處有負(fù)電壓時(shí)，正電荷僅在氧化物-襯底界面處積聚。由于基板上累積的空穴，表面表現(xiàn)為比基板摻雜更多的p區(qū)。

這導(dǎo)致沿排水基板界面的表面耗盡區(qū)域更?。ㄅc塊體中耗盡區(qū)域的厚度相比）。

圖5.

（一）

沿表面在排水-基底界面處形成薄耗盡區(qū)和

（二）

由雪崩效應(yīng)和BTBT產(chǎn)生的載流子引起的GIDL電流

由于稀薄的耗盡區(qū)域和較高的電場(chǎng)，會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng)和帶間隧穿（如本文第一部分所述）。因此，柵極下方漏極區(qū)域中的少數(shù)載流子產(chǎn)生，并通過(guò)負(fù)柵極電壓推入基板。這會(huì)增加漏電流。

6. 穿孔效應(yīng)引起的漏電流

在短通道器件中，由于漏極和源極靠近，兩個(gè)端子的耗盡區(qū)會(huì)聚集在一起并最終合并。在這種情況下，據(jù)說(shuō)發(fā)生了“穿孔”。

穿通效應(yīng)降低了大多數(shù)載體從源頭上的潛在障礙。這增加了進(jìn)入基板的載流子數(shù)量。其中一些載流子被漏極收集，其余的則產(chǎn)生漏電流。

您現(xiàn)在應(yīng)該熟悉與MOS晶體管相關(guān)的六種泄漏電流。如果您對(duì)這些概念有其他疑問(wèn)，請(qǐng)?jiān)谙旅姘l(fā)表評(píng)論。