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了解短溝道MOS晶體管中的泄漏電流成分
MOS晶體管正在按比例縮小以最大化其在集成電路內(nèi)部的封裝密度。這導(dǎo)致了氧化物厚度的減小，進(jìn)而減小了MOS器件的閾值電壓。在較低的閾值電壓下，泄漏電流會(huì)變得很大，并會(huì)導(dǎo)致功耗。這就是為什么至關(guān)重要的是，我們知道MOS晶體管中的各種泄漏電流。
在嘗試了解各種泄漏電流成分之前，讓我們首先回顧一下MOS晶體管核心概念。這將有助于我們更好地了解該主題。
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(chēng)為MOS）組成。
考慮一個(gè)具有p襯底和n +擴(kuò)散阱作為漏極和源極端子的NMOS晶體管。氧化層由SiO 2制成，并在漏極和源極之間的溝道上生長(zhǎng)。柵極端子由n +摻雜的多晶硅或鋁制成。
圖1. NMOS晶體管的鳥(niǎo)瞰圖。
在無(wú)偏狀態(tài)下，漏極/源極和襯底界面的pn結(jié)被反向偏置。晶體管的能帶圖如圖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)相互對(duì)齊。由于在氧化物-半導(dǎo)體界面處的電壓降，Si能帶存在彎曲。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。
由于金屬和半導(dǎo)體之間的功函差而發(fā)生該電壓降（部分電壓降發(fā)生在氧化物兩端，其余部分發(fā)生在Si-SiO 2界面兩端）。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。
積累
接下來(lái)，假設(shè)柵極具有負(fù)電壓，源極的漏極和基板接地。由于負(fù)電壓，襯底（多數(shù)載流子）中的孔被吸引到表面。這種現(xiàn)象稱(chēng)為積累。襯底（電子）中的少數(shù)載流子被深推回去。下面給出了相應(yīng)的能帶圖。
圖3.柵極端帶有負(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，所以能帶在相反的方向上彎曲。另外，請(qǐng)注意費(fèi)米水平的變化。
耗盡區(qū)和耗盡區(qū)
或者，認(rèn)為柵極電壓剛好大于零?？妆慌懦饣氐揭r底中，并且通道中的所有移動(dòng)電荷載體都被耗盡。將該現(xiàn)象稱(chēng)為耗盡，并且形成比未偏置狀態(tài)更寬的耗盡區(qū)域。
圖4. NMOS中的耗盡區(qū)
圖5. 圖4所示的NMOS耗盡區(qū)的對(duì)應(yīng)能帶圖
因?yàn)殡妶?chǎng)是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體，所以能帶在向下方向彎曲。
表面反轉(zhuǎn)
如果柵極處的正電壓進(jìn)一步增加，則襯底中的少數(shù)載流子（電子）被吸引到溝道的表面。這種現(xiàn)象稱(chēng)為表面反轉(zhuǎn)，而表面剛反轉(zhuǎn)時(shí)的柵極電壓稱(chēng)為閾值電壓（V th）。
圖6. NMOS晶體管中的表面反轉(zhuǎn)
圖7.圖6所示的NMOS晶體管的對(duì)應(yīng)能帶圖
電子在源極和漏極之間建立傳導(dǎo)通道。然后，如果漏極電壓從零電勢(shì)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。
在此，固有費(fèi)米能級(jí)小于p型襯底的費(fèi)米能級(jí)。這支持了在表面上半導(dǎo)體為n型的觀點(diǎn)（在n型材料的能帶圖中，本征費(fèi)米能級(jí)的能量水平小于施主能級(jí)的能量水平）。