6 oorzaken van MOS-transistorlekstroom

Lekstroom kan bijdragen aan vermogensdissipatie, vooral bij lagere drempelspanningen. Leer meer over zes soorten lekstromen die in MOS-transistoren voorkomen.

Bij het bespreken van MOS-transistors zijn er in principe zes soorten lekstroomcomponenten in apparaten met een kort kanaal:

• Omgekeerde bias-pn junctie lekstroom
• Subdrempel lekstroom
  • Drain-geïnduceerde barrièreverlaging
  • V_de wegrollen
  • Effect van bedrijfstemperatuur
• Tunneling in en door gate-oxide lekstroom
• Lekstroom als gevolg van injectie van hete drager van het substraat naar poortoxide
• Lekstroom als gevolg van poortgeïnduceerde afvoerverlaging (GIDL)

Voordat u verder gaat, moet u ervoor zorgen dat u bekend bent met de basisconcepten van MOS-transistors die u voorbereiden op de volgende informatie.

1. Reverse Bias pn Junction Lekstroom

De drain/source- en substraatovergangen in een MOS-transistor zijn tijdens de werking van de transistor in tegengestelde richting voorgespannen. Dit resulteert in een omgekeerde lekstroom in het apparaat. Deze lekstroom kan het gevolg zijn van drift/diffusie van minderheidsdragers in het omgekeerd voorgespannen gebied en het genereren van elektronen-gatparen als gevolg van het lawine-effect. De omgekeerde lekstroom van de pn-junctie hangt af van de doteringsconcentratie en het junctiegebied.

Voor zwaar gedoteerde pn-overgangen van afvoer/bron- en substraatgebieden, domineert het band-naar-band tunneling (BTBT) effect de reverse bias lekstroom. Bij band-naar-band tunneling tunnelen elektronen rechtstreeks van de valentieband van het p-gebied naar de geleidingsband van het n-gebied. BTBT is zichtbaar voor elektrische velden groter dan 10 ⁶ V/cm.

Figuur 1. Band-naar-band tunneling in omgekeerd voorgespannen pn-overgang van een MOS-transistor. Alle afbeeldingen gebruikt met dank aan K.Roy, et al., "Lekstroommechanismen en technieken voor het verminderen van lekkage in CMOS-circuits met een diepe submicrometer"; Proc. van IEEE, Vol. 91, nr. 2, februari 2003.

Merk op dat we in de context van dit artikel definiëren dat tunnelingverschijnselen plaatsvinden, zelfs wanneer de energie van het elektron veel kleiner is dan de potentiële barrière.

2. Subdrempel Lekstroom

Wanneer de gate-spanning lager is dan de drempelspanning (V_th ) maar groter dan nul, wordt gezegd dat de transistor voorgespannen is in het subdrempel- of zwakke inversiegebied. Bij zwakke inversie is de concentratie van minderheidsdragers klein maar niet nul. In een dergelijk geval, voor typische waarden van |V_DS |> 0,1V en de volledige spanningsval vindt plaats over de pn-overgang afvoer-substraat.

De elektrische veldcomponent tussen de afvoer en de bron, parallel aan de Si-SiO₂ interface, is klein. Door dit verwaarloosbare elektrische veld is de driftstroom verwaarloosbaar en bestaat de subdrempelstroom voornamelijk uit diffusiestroom.

Drain-geïnduceerde barrièreverlaging (DIBL)

Subdrempellekkagestroom is voornamelijk te wijten aan drain-geïnduceerde barrièreverlaging of DIBL. Bij apparaten met een kort kanaal werken het uitputtingsgebied van afvoer en bron met elkaar in wisselwerking en verminderen de potentiële barrière bij de bron. De bron kan dan ladingsdragers in het oppervlak van het kanaal injecteren, wat resulteert in lekstroom onder de drempel.

DIBL wordt uitgesproken bij hoge afvoerspanningen en apparaten met een kort kanaal.

V_de Uitrollen

De drempelspanning van MOS-apparaten neemt af vanwege de kanaallengtevermindering. Dit fenomeen wordt V_de . genoemd roll-off (of drempelspanning roll-off). Bij apparaten met korte kanalen gaan het afvoer- en bronuitputtingsgebied verder in de kanaallengte, waardoor een deel van het kanaal wordt uitgeput.

Hierdoor is een lagere poortspanning nodig om het kanaal te inverteren, waardoor de drempelspanning wordt verlaagd. Dit fenomeen is uitgesproken voor hogere afvoerspanningen. De verlaging van de drempelspanningen verhoogt de lekstroom onder de drempelwaarde, aangezien de stroom onder de drempel omgekeerd evenredig is met de drempelspanning.

Effect van bedrijfstemperatuur

Temperatuur speelt ook een rol bij lekstroom. Drempelspanning neemt af met toenemende temperatuur. Of, met andere woorden, de stroom onder de drempel neemt toe met toenemende temperatuur.

3. Tunnelen in en door Gate Oxide Lekstroom

In apparaten met een kort kanaal resulteert een dun poortoxide in hoge elektrische velden over de SiO₂ laag. Lage oxidedikte met hoge elektrische velden resulteert in elektronen die tunnelen van het substraat naar de poort en van de poort naar het substraat door het poortoxide, wat resulteert in poortoxide-tunnelstroom.

Beschouw de energiebanddiagrammen zoals weergegeven.

Figuur 2. Energiebanddiagrammen van MOS-transistoren met (a) platte band, (b) een positieve poortspanning, en (c) een negatieve poortspanning

Het eerste diagram, figuur 2(a), is van een platte band MOS-transistor, d.w.z. waar er geen lading in zit.

Wanneer de gate-terminal positief is voorgespannen, verandert het energiebanddiagram zoals weergegeven in het tweede diagram, figuur 2 (b). De elektronen aan het sterk geïnverteerde oppervlak tunnelen in of door de SiO₂ laag die aanleiding geeft tot poortstroom.

Aan de andere kant, wanneer een negatieve poortspanning wordt aangelegd, gaan elektronen van de n+ polysiliciumpoorttunnel naar of door de SiO₂ laag die aanleiding geeft tot poortstroom, zoals weergegeven in figuur 2(c).

Fowler-Nordheim Tunneling en Directe Tunneling

Er zijn hoofdzakelijk twee soorten tunnelmechanismen tussen de poort en het substraat. Dit zijn:

• Fowler-Nordheim-tunneling, waarbij de elektronen door een driehoekige potentiaalbarrière tunnelen
• Directe tunneling, waarbij de elektronen door een trapeziumvormige potentiaalbarrière tunnelen

Figuur 3. Energiebanddiagrammen met (a) Fowler-Nordheim tunnelen door driehoekige potentiaalbarrière van het oxide en (b) Directe tunneling door trapeziumvormige potentiaalbarrière van het oxide

U kunt de energiebanddiagrammen voor beide tunnelingmechanismen bekijken in afbeelding 3(a) en 3(b) hierboven.

4. Lekstroom door hete dragerinjectie van het substraat naar poortoxide

In apparaten met een kort kanaal, bekrachtigt het hoge elektrische veld nabij het substraat-oxide-interface de elektronen of gaten en ze steken het substraat-oxide-interface over om de oxidelaag binnen te gaan. Dit fenomeen staat bekend als hot carrier-injectie.

Figuur 4. Energiebanddiagram dat elektronen weergeeft die voldoende energie krijgen als gevolg van een hoog elektrisch veld en het oversteken van de oxidebarrièrepotentiaal (hete dragerinjectie-effect)

Dit fenomeen heeft meer invloed op elektronen dan op gaten. Dit komt omdat elektronen een kleinere effectieve massa en een kleinere barrièrehoogte hebben in vergelijking met gaten.

5. Lekstroom als gevolg van door poort geïnduceerde afvoerverlaging (GIDL)

Beschouw een NMOS-transistor met een p-type substraat. Wanneer er een negatieve spanning is op de gate-aansluiting, hopen positieve ladingen zich op net op het oxide-substraat-interface. Door de geaccumuleerde gaten in het substraat gedraagt ​​het oppervlak zich als een p-regio die zwaarder is gedoteerd dan het substraat.

Dit resulteert in een dunner uitputtingsgebied aan het oppervlak langs het grensvlak van afvoer en substraat (vergeleken met de dikte van het uitputtingsgebied in de bulk).

Figuur 5. (a) Vorming van dun uitputtingsgebied op het grensvlak van afvoer en substraat langs het oppervlak en (b) stroom van GIDL-stroom als gevolg van dragers gegenereerd door lawine-effect en BTBT

Vanwege een dun uitputtingsgebied en hogere elektrische velden, vinden het lawine-effect en band-naar-band tunneling (zoals besproken in het eerste deel van dit artikel) plaats. Zo worden minderheidsdragers in het afvoergebied onder de poort gegenereerd en in het substraat geduwd door de negatieve poortspanning. Dit draagt ​​bij aan de lekstroom.

6. Lekstroom door doorslageffect

In apparaten met een kort kanaal, vanwege de nabijheid van afvoer- en bronterminals, komt het uitputtingsgebied van beide terminals samen en fuseert uiteindelijk. In een dergelijke toestand zou er een "punch-through" hebben plaatsgevonden.

Het punch-through-effect verlaagt de potentiële barrière voor de meeste dragers vanaf de bron. Dit vergroot het aantal dragers dat het substraat binnengaat. Sommige van deze dragers worden opgevangen door de afvoer en de rest draagt ​​bij aan lekstroom.

U zou nu bekend moeten zijn met zes soorten lekstromen die verband houden met MOS-transistoren. Als je nog vragen hebt over deze concepten, laat dan hieronder een reactie achter.