MOS晶體(tǐ)管漏電(diàn)流的6个原因

2021-02-03

在讨论MOS晶體(tǐ)管时，短沟道器件中基本上有(yǒu)六种类型的泄漏電(diàn)流分(fēn)量：

反向偏置-pn结泄漏電(diàn)流

亚阈值泄漏電(diàn)流

排水引起的势垒降低

V个滚降

工作温度的影响

穿入和穿过栅极氧化物(wù)泄漏電(diàn)流

由于热载流子从基板注入栅极氧化物(wù)而引起的漏電(diàn)流

栅极引起的漏极降低（GIDL）导致的漏電(diàn)流

1.反向偏置pn结漏電(diàn)流

在晶體(tǐ)管工作期间，MOS晶體(tǐ)管中的漏极/源极和衬底结被反向偏置。这导致器件中的反向偏置泄漏電(diàn)流。该泄漏電(diàn)流可(kě)能(néng)是由于反向偏置區(qū)域中少数载流子的漂移/扩散以及由于雪(xuě)崩效应而产生電(diàn)子-空穴对所致。pn结反向偏置的泄漏電(diàn)流取决于掺杂浓度和结面积。

对于漏极/源极和衬底區(qū)域的重掺杂pn结，带间隧穿（BTBT）效应主导着反向偏置泄漏電(diàn)流。在带间隧穿中，電(diàn)子直接从p區(qū)的价带隧穿到n區(qū)的导带。BTBT对于大于10 6 V / cm的電(diàn)场可(kě)见。 

图1.  MOS晶體(tǐ)管反向偏置pn结中的带间隧穿。

请注意，在本文(wén)的上下文(wén)中，我们将隧穿现象定义為(wèi)即使電(diàn)子能(néng)量遠(yuǎn)小(xiǎo)于势垒也要发生的现象。 

2.亚阈值泄漏電(diàn)流

当栅极電(diàn)压小(xiǎo)于阈值電(diàn)压（V th）但大于零时，则认為(wèi)该晶體(tǐ)管在亚阈值或弱反转區(qū)域中被偏置。在弱反演中，少数载流子的浓度很(hěn)小(xiǎo)，但不為(wèi)零。在这种情况下，对于| V DS |的典型值| > 0.1V，整个電(diàn)压降发生在漏极-衬底pn结两端。

与Si-SiO 2界面平行的漏极和源极之间的電(diàn)场分(fēn)量很(hěn)小(xiǎo)。由于该可(kě)忽略的電(diàn)场，漂移電(diàn)流可(kě)忽略不计，并且次阈值電(diàn)流主要由扩散電(diàn)流组成。

排水诱导屏障降低（DIBL）

亚阈值泄漏電(diàn)流主要是由于漏极引起的势垒降低或DIBL引起的。在短沟道器件中，漏极和源极的耗尽區(qū)彼此相互作用(yòng)，并减小(xiǎo)了源极处的势垒。然后，该源能(néng)够将電(diàn)荷载流子注入沟道的表面，从而导致亚阈值泄漏電(diàn)流。

DIBL在高漏极電(diàn)压和短沟道器件中很(hěn)明显。

V个辗轧

MOS器件的阈值電(diàn)压由于沟道長(cháng)度的减小(xiǎo)而减小(xiǎo)。这种现象称為(wèi)V th 下降（或阈值電(diàn)压下降）。在短沟道器件中，漏极和源极耗尽區(qū)进一步进入沟道長(cháng)度，从而耗尽了一部分(fēn)沟道。

因此，需要较小(xiǎo)的栅极電(diàn)压来反转沟道，从而降低了阈值電(diàn)压。对于较高的漏极電(diàn)压，这种现象尤為(wèi)明显。阈值電(diàn)压的减小(xiǎo)增加了亚阈值泄漏電(diàn)流，因為(wèi)亚阈值電(diàn)流与阈值電(diàn)压成反比。 

工作温度的影响

温度也是泄漏電(diàn)流的一部分(fēn)。阈值電(diàn)压随温度升高而降低。或者，换句话说，亚阈值電(diàn)流随温度升高而增加。 

3.穿入和穿过栅极氧化物(wù)泄漏電(diàn)流

在短沟道器件中，薄的栅极氧化物(wù)会在SiO 2层上产生高電(diàn)场。具有(yǒu)高電(diàn)场的低氧化物(wù)厚度导致電(diàn)子从衬底到栅极以及从栅极到栅极通过栅极氧化物(wù)隧穿，从而产生栅极氧化物(wù)隧穿電(diàn)流。

考虑如下所示的能(néng)带图。 

图2.具有(yǒu)（a）平坦带，（b）正栅极電(diàn)压和（c）负栅极電(diàn)压的MOS晶體(tǐ)管的能(néng)带图

第一个图（图2（a））是一个平带MOS晶體(tǐ)管，即其中不存在電(diàn)荷。

当栅极端子為(wèi)正偏置时，能(néng)带图会发生变化，如图2（b）所示。在强烈反转的表面上的電(diàn)子隧穿进入或穿过SiO 2层，从而产生栅极電(diàn)流。

另一方面，当施加负栅极電(diàn)压时，来自n +多(duō)晶硅栅极的電(diàn)子隧穿进入或穿过SiO 2层，从而产生栅极電(diàn)流，如图2（c）所示。 

Fowler-Nordheim隧道和直接隧道

栅极和衬底之间主要有(yǒu)两种隧穿机制。他(tā)们是：

Fowler-Nordheim隧穿，其中電(diàn)子隧穿穿过三角势垒

直接隧穿，其中電(diàn)子通过梯形势垒隧穿 

图3. 能(néng)带图显示（a）通过氧化物(wù)的三角势垒的Fowler-Nordheim隧穿和 （b）通过氧化物(wù)的梯形势垒的直接隧穿

您可(kě)以在上面的图3（a）和3（b）中看到两种隧穿机制的能(néng)带图。

4.由于热载流子从基片注入栅极氧化物(wù)而引起的漏電(diàn)流

在短沟道器件中，衬底-氧化物(wù)界面附近的高電(diàn)场使電(diàn)子或空穴通電(diàn)，并且電(diàn)子或空穴穿过衬底-氧化物(wù)界面进入氧化物(wù)层。这种现象称為(wèi)热载流子注入。

图4. 能(néng)带图描绘了電(diàn)子由于高電(diàn)场而获得了足够的能(néng)量并越过了氧化物(wù)势垒势（热载流子注入效应） 

这种现象比空穴更可(kě)能(néng)影响電(diàn)子。这是因為(wèi)電(diàn)子与空穴相比具有(yǒu)较小(xiǎo)的有(yǒu)效质量和较小(xiǎo)的势垒高度。 

5.由于栅极感应的漏极降低（GIDL）而引起的漏電(diàn)流

考虑具有(yǒu)p型衬底的NMOS晶體(tǐ)管。当栅极端子处存在负電(diàn)压时，正電(diàn)荷仅在氧化物(wù)-衬底界面处积累。由于在衬底上积累的空穴，该表面表现為(wèi)比衬底更重掺杂的p區(qū)域。

这导致沿着漏极-衬底界面的表面处的耗尽區(qū)更薄（与本體(tǐ)中的耗尽區(qū)的厚度相比）。 

图5.  （a） 沿表面在漏极-衬底界面处形成薄耗尽區(qū)，以及 （b）由于雪(xuě)崩效应和BTBT产生的载流子，GIDL電(diàn)流流动 

由于耗尽區(qū)较薄且電(diàn)场较高，因此会发生雪(xuě)崩效应和带间隧穿（如本文(wén)第一部分(fēn)所述）。因此，在栅极下方的漏极區(qū)域中产生少数载流子，并通过负栅极電(diàn)压将其推入衬底。这增加了泄漏電(diàn)流。

6.穿通效应引起的漏電(diàn)流

在短通道器件中，由于漏极和源极端子的接近，两个端子的耗尽區(qū)汇聚在一起并最终合并。在这种情况下，据说发生了“穿通”。

穿通效应降低了源头上大多(duō)数载流子的势垒。这增加了进入衬底的载流子的数量。这些载流子中的一些被漏极收集，其余的则有(yǒu)助于泄漏電(diàn)流。