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MOS晶體管漏電流的6個(gè)原因
在討論MOS晶體管時(shí)，短溝道器件中基本上有六種類型的泄漏電流分量：
反向偏置-pn結(jié)泄漏電流
亞閾值泄漏電流
排水引起的勢壘降低
V個(gè)滾降
工作溫度的影響
穿入和穿過柵極氧化物泄漏電流
由于熱載流子從基板注入柵極氧化物而引起的漏電流
柵極引起的漏極降低（GIDL）導(dǎo)致的漏電流
1.反向偏置pn結(jié)漏電流
在晶體管工作期間，MOS晶體管中的漏極/源極和襯底結(jié)被反向偏置。這導(dǎo)致器件中的反向偏置泄漏電流。該泄漏電流可能是由于反向偏置區(qū)域中少數(shù)載流子的漂移/擴(kuò)散以及由于雪崩效應(yīng)而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)所致。pn結(jié)反向偏置的泄漏電流取決于摻雜濃度和結(jié)面積。
對(duì)于漏極/源極和襯底區(qū)域的重?fù)诫spn結(jié)，帶間隧穿（BTBT）效應(yīng)主導(dǎo)著反向偏置泄漏電流。在帶間隧穿中，電子直接從p區(qū)的價(jià)帶隧穿到n區(qū)的導(dǎo)帶。BTBT對(duì)于大于10 6 V / cm的電場可見。
圖1. MOS晶體管反向偏置pn結(jié)中的帶間隧穿。
請(qǐng)注意，在本文的上下文中，我們將隧穿現(xiàn)象定義為即使電子能量遠(yuǎn)小于勢壘也要發(fā)生的現(xiàn)象。
2.亞閾值泄漏電流
當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓（V th）但大于零時(shí)，則認(rèn)為該晶體管在亞閾值或弱反轉(zhuǎn)區(qū)域中被偏置。在弱反演中，少數(shù)載流子的濃度很小，但不為零。在這種情況下，對(duì)于| V DS |的典型值| > 0.1V，整個(gè)電壓降發(fā)生在漏極-襯底pn結(jié)兩端。
與Si-SiO 2界面平行的漏極和源極之間的電場分量很小。由于該可忽略的電場，漂移電流可忽略不計(jì)，并且次閾值電流主要由擴(kuò)散電流組成。
排水誘導(dǎo)屏障降低（DIBL）
亞閾值泄漏電流主要是由于漏極引起的勢壘降低或DIBL引起的。在短溝道器件中，漏極和源極的耗盡區(qū)彼此相互作用，并減小了源極處的勢壘。然后，該源能夠?qū)㈦姾奢d流子注入溝道的表面，從而導(dǎo)致亞閾值泄漏電流。
DIBL在高漏極電壓和短溝道器件中很明顯。
V個(gè)輾軋
MOS器件的閾值電壓由于溝道長度的減小而減小。這種現(xiàn)象稱為V th 下降（或閾值電壓下降）。在短溝道器件中，漏極和源極耗盡區(qū)進(jìn)一步進(jìn)入溝道長度，從而耗盡了一部分溝道。
因此，需要較小的柵極電壓來反轉(zhuǎn)溝道，從而降低了閾值電壓。對(duì)于較高的漏極電壓，這種現(xiàn)象尤為明顯。閾值電壓的減小增加了亞閾值泄漏電流，因?yàn)閬嗛撝惦娏髋c閾值電壓成反比。
工作溫度的影響
溫度也是泄漏電流的一部分。閾值電壓隨溫度升高而降低?；蛘?，換句話說，亞閾值電流隨溫度升高而增加。
3.穿入和穿過柵極氧化物泄漏電流
在短溝道器件中，薄的柵極氧化物會(huì)在SiO 2層上產(chǎn)生高電場。具有高電場的低氧化物厚度導(dǎo)致電子從襯底到柵極以及從柵極到柵極通過柵極氧化物隧穿，從而產(chǎn)生柵極氧化物隧穿電流。
考慮如下所示的能帶圖。
圖2.具有（a）平坦帶，（b）正柵極電壓和（c）負(fù)柵極電壓的MOS晶體管的能帶圖
第一個(gè)圖（圖2（a））是一個(gè)平帶MOS晶體管，即其中不存在電荷。
當(dāng)柵極端子為正偏置時(shí)，能帶圖會(huì)發(fā)生變化，如圖2（b）所示。在強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)的表面上的電子隧穿進(jìn)入或穿過SiO 2層，從而產(chǎn)生柵極電流。
另一方面，當(dāng)施加負(fù)柵極電壓時(shí)，來自n +多晶硅柵極的電子隧穿進(jìn)入或穿過SiO 2層，從而產(chǎn)生柵極電流，如圖2（c）所示。
Fowler-Nordheim隧道和直接隧道
柵極和襯底之間主要有兩種隧穿機(jī)制。他們是：
Fowler-Nordheim隧穿，其中電子隧穿穿過三角勢壘
直接隧穿，其中電子通過梯形勢壘隧穿
圖3. 能帶圖顯示（a）通過氧化物的三角勢壘的Fowler-Nordheim隧穿和 （b）通過氧化物的梯形勢壘的直接隧穿
您可以在上面的圖3（a）和3（b）中看到兩種隧穿機(jī)制的能帶圖。
4.由于熱載流子從基片注入柵極氧化物而引起的漏電流
在短溝道器件中，襯底-氧化物界面附近的高電場使電子或空穴通電，并且電子或空穴穿過襯底-氧化物界面進(jìn)入氧化物層。這種現(xiàn)象稱為熱載流子注入。
圖4. 能帶圖描繪了電子由于高電場而獲得了足夠的能量并越過了氧化物勢壘勢（熱載流子注入效應(yīng)）
這種現(xiàn)象比空穴更可能影響電子。這是因?yàn)殡娮优c空穴相比具有較小的有效質(zhì)量和較小的勢壘高度。
5.由于柵極感應(yīng)的漏極降低（GIDL）而引起的漏電流
考慮具有p型襯底的NMOS晶體管。當(dāng)柵極端子處存在負(fù)電壓時(shí)，正電荷僅在氧化物-襯底界面處積累。由于在襯底上積累的空穴，該表面表現(xiàn)為比襯底更重?fù)诫s的p區(qū)域。
這導(dǎo)致沿著漏極-襯底界面的表面處的耗盡區(qū)更薄（與本體中的耗盡區(qū)的厚度相比）。
圖5. （a） 沿表面在漏極-襯底界面處形成薄耗盡區(qū)，以及 （b）由于雪崩效應(yīng)和BTBT產(chǎn)生的載流子，GIDL電流流動(dòng)
由于耗盡區(qū)較薄且電場較高，因此會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng)和帶間隧穿（如本文第一部分所述）。因此，在柵極下方的漏極區(qū)域中產(chǎn)生少數(shù)載流子，并通過負(fù)柵極電壓將其推入襯底。這增加了泄漏電流。
6.穿通效應(yīng)引起的漏電流
在短通道器件中，由于漏極和源極端子的接近，兩個(gè)端子的耗盡區(qū)匯聚在一起并最終合并。在這種情況下，據(jù)說發(fā)生了“穿通”。
穿通效應(yīng)降低了源頭上大多數(shù)載流子的勢壘。這增加了進(jìn)入襯底的載流子的數(shù)量。這些載流子中的一些被漏極收集，其余的則有助于泄漏電流。