De lekstroomcomponenten in MOS-transistoren met korte kanalen begrijpen

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

MOS-transistoren worden verkleind om hun pakketdichtheid in geïntegreerde schakelingen te maximaliseren. Dit heeft geleid tot een vermindering van de oxidedikte, wat op zijn beurt de drempelspanning van de MOS-apparaten heeft verlaagd. Bij lagere drempelspanningen wordt de lekstroom aanzienlijk en draagt ​​deze bij aan de vermogensdissipatie. Daarom is het essentieel dat we de verschillende soorten lekstromen in een MOS-transistor kennen.

Voordat we de verschillende lekstroomcomponenten proberen te begrijpen, laten we eerst de concepten van de MOS-transistorkern opnieuw bekijken. Dit zal ons helpen een beter inzicht in het onderwerp te krijgen.

De MOS-transistorstructuur opnieuw bezocht

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

Beschouw een NMOS-transistor met p-substraat en n+ diffusieputten als afvoer- en bronaansluitingen. De oxidelaag is gemaakt van SiO₂ en wordt gekweekt over het kanaal tussen de afvoer en de bron. De poortterminal is gemaakt van n+ gedoteerd polysilicium of aluminium.

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

In onbevooroordeelde toestand zijn de pn-overgangen bij de afvoer/bron- en substraatinterface omgekeerd voorgespannen. Het energiebanddiagram van de transistor is zoals weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Het energiebanddiagram van een zuivere NMOS-transistor

Zoals je kunt zien, stemmen de Fermi-niveaus van het metaal, het oxide en de halfgeleider zichzelf af. Er is een buiging in de Si-energiebanden als gevolg van de spanningsval op de oxide-halfgeleiderinterface. De richting van het ingebouwde elektrische veld is van metaal naar oxide naar halfgeleider en de richting van de spanningsval is tegengesteld aan de richting van het elektrische veld.

Deze spanningsval treedt op vanwege het verschil in werkfunctie tussen metaal en halfgeleider (een deel van de spanningsval vindt plaats over het oxide en de rest over de Si-SiO₂ koppel). De werkfunctie is de hoeveelheid energie die de elektronen nodig hebben om van het Fermi-niveau naar de vrije ruimte te ontsnappen. Je kunt meer begrijpen over het MOS-transistorbanddiagram en bandbuiging in deze video van Jordan Edmunds.

Accumulatie

Stel vervolgens dat de poort een negatieve spanning heeft en de bron waar de afvoer en het substraat zijn geaard. Door de negatieve spanning worden de gaten in het substraat (meerderheidsdragers) naar het oppervlak aangetrokken. Dit fenomeen wordt accumulatie genoemd. De minderheidsdragers in het substraat (elektronen) worden er diep in teruggeduwd. Het bijbehorende energiebanddiagram wordt hieronder gegeven.

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

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

Uitputting en uitputtingsgebieden

Als alternatief kunt u de poortspanning beschouwen als net groter dan nul. De gaten worden terug in het substraat afgestoten en het kanaal is uitgeput van alle mobiele ladingsdragers. Dit fenomeen wordt uitputting genoemd en er wordt een uitputtingsgebied gecreëerd dat breder is dan in de onbevooroordeelde toestand.

Figuur 4. Het uitputtingsgebied in een NMOS

Figuur 5. Het corresponderende energiebanddiagram voor het NMOS-depletiegebied weergegeven in figuur 4

Omdat het elektrische veld van metaal naar oxide naar halfgeleider loopt, buigen de energiebanden in neerwaartse richting.

Oppervlakte-inversie

Als de positieve spanning aan de poort verder wordt verhoogd, worden de minderheidsdragers in het substraat (elektronen) aangetrokken door het oppervlak van het kanaal. Dit fenomeen wordt oppervlakte-inversie genoemd en de poortspanning waarbij het oppervlak net inverteert, staat bekend als drempelspanning (V_th ).

Figuur 6. Oppervlakte-inversie in NMOS-transistor

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

De elektronen creëren een geleidingskanaal tussen de source en de drain. Als de afvoerspanning vervolgens wordt verhoogd vanaf nulpotentiaal, wordt een afvoerstroom (I_d ) begint te stromen tussen de bron en de afvoer. De energiebanden buigen verder naar beneden en bij het halfgeleider-oxide-interface.

Hier is het intrinsieke Fermi-niveau lager dan het Fermi-niveau van een p-type substraat. Dit ondersteunt het punt dat de halfgeleider aan het oppervlak van het n-type is (in de energiebanddiagrammen van een n-type materiaal bevindt het intrinsieke Fermi-niveau zich op een lager energieniveau dan het donorenergieniveau).

In het volgende artikel zullen we zes soorten lekstromen in MOS-transistoren uiteenzetten.