短溝道 MOS 晶體管中的漏電流成分

MOS 晶體管正在按比例縮小，以限度地提高集成電路內(nèi)的封裝密度。這導(dǎo)致氧化物厚度的減少，進(jìn)而降低了 MOS 器件的閾值電壓。在較低的閾值電壓下，漏電流變得很大并有助于功耗。這就是為什么了解 MOS 晶體管中各種類型的漏電流至關(guān)重要。

MOS 晶體管正在按比例縮小，以限度地提高集成電路內(nèi)的封裝密度。這導(dǎo)致氧化物厚度的減少，進(jìn)而降低了 MOS 器件的閾值電壓。在較低的閾值電壓下，漏電流變得很大并有助于功耗。這就是為什么了解 MOS 晶體管中各種類型的漏電流至關(guān)重要。
在我們嘗試了解各種漏電流成分之前，讓我們先回顧一下 MOS 晶體管的概念。這將幫助我們更好地了解該主題。
回顧 MOS 晶體管結(jié)構(gòu)
MOS 晶體管結(jié)構(gòu)由金屬、氧化物和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（因此稱為 MOS）組成。
考慮一個(gè) NMOS 晶體管，它具有 p 襯底和 n+ 擴(kuò)散阱作為漏極端子和源極端子。氧化物層由 SiO 2制成，并生長(zhǎng)在漏極和源極之間的溝道上方。柵極端由n+摻雜的多晶硅或鋁制成。

圖 1.  NMOS 晶體管的鳥(niǎo)瞰圖。所有圖片來(lái)自 SM Kang，Y. Leblebici，CMOS 數(shù)字集成電路， TMH，2003，第 3 章，第 83-93 頁(yè)

在無(wú)偏置條件下，漏極/源極和襯底界面處的 pn 結(jié)是反向偏置的。三極管的能帶圖如圖2所示。

圖 2. 無(wú)偏置 NMOS 晶體管的能帶圖

如您所見(jiàn)，金屬、氧化物和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)自行對(duì)齊。由于氧化物-半導(dǎo)體界面處的電壓降，Si 能帶中存在彎曲。內(nèi)置電場(chǎng)的方向是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體，電壓降的方向與電場(chǎng)的方向相反。
這種電壓降是由于金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差異而發(fā)生的（部分電壓降發(fā)生在氧化物上，其余電壓降發(fā)生在 Si-SiO 2 界面上）。功函數(shù)是電子從費(fèi)米能級(jí)逃逸到自由空間所需的能量。您可以在Jordan Edmunds 的這段視頻中了解有關(guān) MOS 晶體管能帶圖和能帶彎曲的更多信息。
積累
接下來(lái)，假設(shè)柵極具有負(fù)電壓，而漏極和襯底接地的源極。由于負(fù)電壓，襯底中的空穴（多數(shù)載流子）被吸引到表面。這種現(xiàn)象稱為積累。基板中的少數(shù)載流子（電子）被推回到基板深處。下面給出相應(yīng)的能帶圖。

圖 3.柵極端負(fù)電壓的 NMOS 晶體管的能帶圖

由于電場(chǎng)的方向是從半導(dǎo)體到氧化物再到金屬，因此能帶向相反方向彎曲。另外，請(qǐng)注意費(fèi)米能級(jí)的變化。
耗盡區(qū)和耗盡區(qū)
或者，考慮柵極電壓剛好大于零。空穴被排斥回到襯底中，通道中的任何移動(dòng)電荷載流子都被耗盡。這種現(xiàn)象稱為耗盡，會(huì)產(chǎn)生比無(wú)偏條件下更寬的耗盡區(qū)。

圖 4.  NMOS 中的耗盡區(qū)

圖 5. 圖 4 中 NMOS 耗盡區(qū)的相應(yīng)能帶圖

由于電場(chǎng)是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體，因此能帶向下彎曲。
地表反轉(zhuǎn)
如果進(jìn)一步提高柵極的正電壓，則襯底中的少數(shù)載流子（電子）被吸引到溝道表面。這種現(xiàn)象稱為表面反轉(zhuǎn)，表面剛好反轉(zhuǎn)時(shí)的柵極電壓稱為閾值電壓 (Vth )。

圖 6.  NMOS 晶體管的表面反轉(zhuǎn)

圖 7.圖 6 中 NMOS 晶體管的相應(yīng)能帶圖

電子在源極和漏極之間形成傳導(dǎo)通道。如果漏極電壓隨后從零電位增加，則漏極電流 (Id )開(kāi)始在源極和漏極之間流動(dòng)。能帶進(jìn)一步向下彎曲并在半導(dǎo)體-氧化物界面處彎曲。
這里，本征費(fèi)米能級(jí)小于 p 型襯底的費(fèi)米能級(jí)。這支持了這樣的觀點(diǎn)，即在表面，半導(dǎo)體是 n 型的（在 n 型材料的能帶圖中，本征費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)低于施主能級(jí)）。