了解短通道MOS晶体管中的漏电流元件

本文介绍了MOS晶体管的基础知识，以期更好地了解此类晶体管中可能发生的漏电流。

MOS晶体管正在缩小，以最大限度地提高其在集成电路内的封装密度。这导致了氧化物厚度的减少，从而降低了MOS器件的阈值电压。在较低的阈值电压下，漏电流变得很大，并有助于功耗。这就是为什么我们必须了解MOS晶体管中各种类型的漏电流。

在我们尝试了解各种漏电流元件之前，让我们先回顾一下MOS晶体管的核心概念。这将有助于我们更好地了解该主题。

重新审视MOS晶体管结构

MOS晶体管结构由金属，氧化物和半导体结构（因此称为MOS）组成。

考虑将具有p基板和n+扩散阱的NMOS晶体管作为漏极和源极。氧化层由SiO制成2生长在漏极和源头之间的通道上。栅极端子由n+掺杂的多晶硅或铝制成。

图1.NMOS晶体管的鸟瞰图。所有图片来自S. M. Kang， Y. Leblebici，CMOS数字集成电路，TMH， 2003， ch.3， pp：83-93

在无偏置条件下，漏极/源极和基板界面处的pn结是反向偏置的。晶体管的能带图如图2所示。

图2.无偏NMOS晶体管的能带图

如您所见，金属、氧化物和半导体的费米能级会对齐。由于氧化物-半导体界面处的压降，Si能带存在弯曲。内置电场的方向是从金属到氧化物再到半导体，电压降的方向与电场的方向相反。

这种压降是由于金属和半导体之间的功函数差而发生的（部分压降发生在氧化物上，其余发生在Si-SiO上2接口）。功函数是电子从费米能级逃逸到自由空间所需的能量。您可以了解有关MOS晶体管带图和带弯曲的更多信息乔丹·埃德蒙兹的这段视频.

积累

接下来，假设栅极具有负电压，并且漏极和基板的源极接地。由于负电压，基板上的孔（多数载流子）被吸引到表面。这种现象称为积累。基板中的少数载流子（电子）被推回其中深处。下面给出了相应的能量带图。

图3.栅极端子负电压的NMOS晶体管的能带图

由于电场的方向是从半导体到氧化物再到金属，因此能带向相反方向弯曲。另外，请注意费米能级的变化。

枯竭和枯竭区域

或者，考虑栅极电压刚好大于零。空穴被排斥回基板中，通道中没有任何移动电荷载流子。这种现象称为损耗，并且会产生比无偏条件下更宽的消耗区域。

图4.NMOS 中的耗尽区

图5.图4所示的NMOS耗尽区域的相应能带图

由于电场从金属到氧化物再到半导体，因此能带向下弯曲。

表面反演

如果栅极处的正电压进一步增加，则衬底中的少数载流子（电子）被吸引到沟道表面。这种现象称为表面反转，表面刚好反转的栅极电压称为阈值电压（V千).

图6.NMOS晶体管中的表面反转

图7.NMOS晶体管的相应能带图如图6所示

电子在源极和漏极之间形成传导通道。如果漏极电压从零电位增加，则漏极电流（Id） 开始在源极和漏极之间流动。能带进一步向下弯曲，并在半导体氧化物界面处弯曲。

在这里，内在费米能级小于p型衬底的费米能级。这支持了在表面，半导体是n型的观点（在n型材料的能带图中，内征费米能级低于供体能级）。

在下一篇文章中，我们将描述MOS晶体管中的六种漏电流。