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MOS晶體管漏電流的6個(gè)原因
在討論MOS晶體管時(shí)，短溝道器件中基本上有六種類型的泄漏電流分量：
反向偏置-pn結(jié)泄漏電流
亞閾值泄漏電流
排水引起的勢(shì)壘降低
V個(gè)滾降
工作溫度的影響
穿入和穿過(guò)柵極氧化物泄漏電流
由于熱載流子從基板注入柵極氧化物而引起的漏電流
柵極引起的漏極降低（GIDL）導(dǎo)致的漏電流
1.反向偏置pn結(jié)漏電流
在晶體管工作期間，MOS晶體管中的漏極/源極和襯底結(jié)被反向偏置。這導(dǎo)致器件中的反向偏置泄漏電流。該泄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)散以及由于雪崩效應(yīng)而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)所致。pn結(jié)反向偏置的泄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)著反向偏置泄漏電流。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 6 V / cm的電場(chǎng)可見。
圖1. MOS晶體管反向偏置pn結(jié)中的帶間隧穿。
請(qǐng)注意，在本文的上下文中，我們將隧穿現(xiàn)象定義為即使電子能量遠(yuǎn)小于勢(shì)壘也要發(fā)生的現(xiàn)象。
2.亞閾值泄漏電流
當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓（V th）但大于零時(shí)，則認(rèn)為該晶體管在亞閾值或弱反轉(zhuǎn)區(qū)域中被偏置。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(duì)于| V DS |的典型值| > 0.1V，整個(gè)電壓降發(fā)生在漏極-襯底pn結(jié)兩端。
與Si-SiO 2界面平行的漏極和源極之間的電場(chǎng)分量很小。由于該可忽略的電場(chǎng)，漂移電流可忽略不計(jì)，并且次閾值電流主要由擴(kuò)散電流組成。
排水誘導(dǎo)屏障降低（DIBL）
亞閾值泄漏電流主要是由于漏極引起的勢(shì)壘降低或DIBL引起的。在短溝道器件中，漏極和源極的耗盡區(qū)彼此相互作用，并減小了源極處的勢(shì)壘。然后，該源能夠?qū)㈦姾奢d流子注入溝道的表面，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個(gè)輾軋
MOS器件的閾值電壓由于溝道長(zhǎng)度的減小而減小。這種現(xiàn)象稱為V th 下降（或閾值電壓下降）。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(zhǎng)度，從而耗盡了一部分溝道。
因此，需要較小的柵極電壓來(lái)反轉(zhuǎn)溝道，從而降低了閾值電壓。對(duì)于較高的漏極電壓，這種現(xiàn)象尤為明顯。閾值電壓的減小增加了亞閾值泄漏電流，因?yàn)閬嗛撝惦娏髋c閾值電壓成反比。
工作溫度的影響
溫度也是泄漏電流的一部分。閾值電壓隨溫度升高而降低。或者，換句話說(shuō)，亞閾值電流隨溫度升高而增加。
3.穿入和穿過(guò)柵極氧化物泄漏電流
在短溝道器件中，薄的柵極氧化物會(huì)在SiO 2層上產(chǎn)生高電場(chǎng)。具有高電場(chǎng)的低氧化物厚度導(dǎo)致電子從襯底到柵極以及從柵極到柵極通過(guò)柵極氧化物隧穿，從而產(chǎn)生柵極氧化物隧穿電流。
考慮如下所示的能帶圖。
圖2.具有（a）平坦帶，（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)柵極端子為正偏置時(shí)，能帶圖會(huì)發(fā)生變化，如圖2（b）所示。在強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)的表面上的電子隧穿進(jìn)入或穿過(guò)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(lái)自n +多晶硅柵極的電子隧穿進(jìn)入或穿過(guò)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
柵極和襯底之間主要有兩種隧穿機(jī)制。他們是：
Fowler-Nordheim隧穿，其中電子隧穿穿過(guò)三角勢(shì)壘
直接隧穿，其中電子通過(guò)梯形勢(shì)壘隧穿
圖3. 能帶圖顯示（a）通過(guò)氧化物的三角勢(shì)壘的Fowler-Nordheim隧穿和 （b）通過(guò)氧化物的梯形勢(shì)壘的直接隧穿
您可以在上面的圖3（a）和3（b）中看到兩種隧穿機(jī)制的能帶圖。
4.由于熱載流子從基片注入柵極氧化物而引起的漏電流
在短溝道器件中，襯底-氧化物界面附近的高電場(chǎng)使電子或空穴通電，并且電子或空穴穿過(guò)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. 能帶圖描繪了電子由于高電場(chǎng)而獲得了足夠的能量并越過(guò)了氧化物勢(shì)壘勢(shì)（熱載流子注入效應(yīng)）
這種現(xiàn)象比空穴更可能影響電子。這是因?yàn)殡娮优c空穴相比具有較小的有效質(zhì)量和較小的勢(shì)壘高度。
5.由于柵極感應(yīng)的漏極降低（GIDL）而引起的漏電流
考慮具有p型襯底的NMOS晶體管。當(dāng)柵極端子處存在負(fù)電壓時(shí)，正電荷僅在氧化物-襯底界面處積累。由于在襯底上積累的空穴，該表面表現(xiàn)為比襯底更重?fù)诫s的p區(qū)域。
這導(dǎo)致沿著漏極-襯底界面的表面處的耗盡區(qū)更薄（與本體中的耗盡區(qū)的厚度相比）。
圖5. （a） 沿表面在漏極-襯底界面處形成薄耗盡區(qū)，以及 （b）由于雪崩效應(yīng)和BTBT產(chǎn)生的載流子，GIDL電流流動(dòng)
由于耗盡區(qū)較薄且電場(chǎng)較高，因此會(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，在柵極下方的漏極區(qū)域中產(chǎn)生少數(shù)載流子，并通過(guò)負(fù)柵極電壓將其推入襯底。這增加了泄漏電流。
6.穿通效應(yīng)引起的漏電流
在短通道器件中，由于漏極和源極端子的接近，兩個(gè)端子的耗盡區(qū)匯聚在一起并最終合并。在這種情況下，據(jù)說(shuō)發(fā)生了“穿通”。
穿通效應(yīng)降低了源頭上大多數(shù)載流子的勢(shì)壘。這增加了進(jìn)入襯底的載流子的數(shù)量。這些載流子中的一些被漏極收集，其余的則有助于泄漏電流。