Lekstromen in short-channel MOS-transistoren decoderen: Sleutelinzichten voor low-power design

Dit artikel behandelt de basis van MOS-transistoren met het oog op een beter begrip van de lekstroom die in dergelijke transistors kan optreden.

MOS-transistoren worden geschaald om hun package-dichtheid in geïntegreerde circuits te maximaliseren. Dit heeft geleid tot reductie van de oxidedikte, wat op zijn beurt de drempelspanning van de MOS-apparaten heeft verlaagd. Bij lagere drempelspanningen wordt lekstroom significant en draagt bij aan stroomdissipatie. Dit is waarom het vitaal is dat we de verschillende typen lekstromen in een MOS-transistor kennen.

Voordat we de verschillende lekstroomcomponenten proberen te begrijpen, laten we eerst de kernconcepten van de MOS-transistor herhalen. Dit zal ons helpen betere inzichten in het onderwerp te krijgen.

De MOS-transistorstructuur herbekeken

De MOS-transistorstructuur bestaat uit een metaal, een oxide en een semiconductorstructuur (vandaar MOS).

Overweeg een NMOS-transistor met p-substrate en n+ diffusiewellen als drain- en source-terminals. De oxidelag bestaat uit SiO₂ en is gegroeid over het kanaal tussen drain en source. De gate-terminal is gemaakt van n+ gedopeerd polysilicon of aluminium.

Figuur 1. De vogelvlucht van een NMOS-transistor. Alle afbeeldingen uit S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, ch.3, pp:83-93

In onbevoorwaarde conditie zijn de pn-junctions aan de drain/source en substrate interface reverse biased. Het energiebanddiagram van de transistor is zoals getoond in Figuur 2.

Figuur 2. Het energiebanddiagram van een onbevoorwaarde NMOS-transistor

Zoals u ziet, lijnen de Fermi-niveaus van het metaal, oxide en semiconductor zich uit. Er is een buiging in de Si-energiebanden door de spanningsval aan de oxide-semiconductor interface. De richting van het ingebouwde elektrische veld is van metaal naar oxide naar semiconductor en de richting van de spanningsval is tegengesteld aan de richting van het elektrische veld.

Deze spanningsval treedt op door het werkfunctieverschil tussen metaal en semiconductor (een deel van de spanningsval vindt plaats over de oxide en de rest over de Si-SiO₂ interface). De werkfunctie is de hoeveelheid energie die nodig is voor elektronen om te ontsnappen van het Fermi-niveau naar de vrije ruimte. U kunt meer begrijpen over het MOS-transistor banddiagram en bandbuiging in deze video van Jordan Edmunds.

Accumulatie

Stel nu dat de gate negatieve spanning heeft en de source waar de drain en de substrate gegrondeerd zijn. Vanwege de negatieve spanning worden de gaten in de substrate (majority carriers) naar het oppervlak getrokken. Dit fenomeen heet accumulatie. De minority carriers in de substrate (elektronen) worden diep ingeduwd. Het corresponderende energiebanddiagram is hieronder gegeven.

Figuur 3. Het energiebanddiagram van een NMOS-transistor met negatieve spanning op de gate-terminal

Omdat de richting van het elektrisch veld is van semiconductor naar oxide naar metaal, buigen de energiebanden in de tegenovergestelde richting. Let ook op de verschuivingen in Fermi-niveaus.

Depletion en Depletion Regio's

Alternatief, overweeg de gate-spanning net groter dan nul. De gaten worden terug in de substrate afgestoten en het kanaal is ontdaan van mobiele ladingsdragers. Dit fenomeen heet depletion en een depletion regio breder dan in de onbevoorwaarde conditie wordt gecreëerd.

Figuur 4. De depletion regio in een NMOS

Figuur 5. Het corresponderende energiebanddiagram voor de NMOS depletion regio getoond in Figuur 4

Omdat het elektrisch veld is van metaal naar oxide naar semiconductor, buigen de energiebanden in de neerwaartse richting.

Surface Inversie

Als de positieve spanning op de gate verder verhoogd wordt, worden de minority carriers in de substrate (elektronen) naar het oppervlak van het kanaal getrokken. Dit fenomeen heet surface inversie en de gate-spanning waarbij het oppervlak net inverseert, is bekend als drempelspanning (V_th).

Figuur 6. Surface inversie in NMOS-transistor

Figuur 7. Het corresponderende energiebanddiagram voor de NMOS-transistor getoond in Figuur 6

De elektronen creëren een geleidingskanaal tussen de source en de drain. Als de drain-spanning dan verhoogd wordt vanaf nul potentieel, begint een drain-stroom (I_d) te vloeien tussen source en drain. De energiebanden buigen verder neerwaarts en aan de semiconductor-oxide interface.

Hier is het intrinsieke Fermi-niveau lager dan het Fermi-niveau van een p-type substrate. Dit ondersteunt het punt dat aan het oppervlak de semiconductor n-type is (in de energiebanddiagrammen van een n-type materiaal is het intrinsieke Fermi-niveau op een lager energieniveau dan het donor-energieniveau).

In het volgende artikel zullen we zes typen lekstroom in MOS-transistoren uiteenzetten.