MOS管泄漏電流,各種漏電流,減小泄露方法-KIA MOS管

理想的MOS晶體管不應(yīng)該有任何電流流入襯底或者阱中，當(dāng)晶體管關(guān)閉的時候D\S之間不應(yīng)該存在任何的電流。但是，現(xiàn)實中MOS卻存在各種不同的漏電流。漏電流一方面嚴(yán)重減小了低功耗設(shè)備的電池使用壽命，另一方面在某些s&h電路中，極大的限制了信號保持時間。

反偏結(jié)泄漏電流，junction leakage（/junction）:

結(jié)漏泄漏電流為：當(dāng)晶體管關(guān)斷時，通過反偏二極管從源極或漏極到襯底或者阱到襯底；這種反偏結(jié)泄露電流主要由兩部分組成：

（1）由耗盡區(qū)邊緣的擴散和漂移電流產(chǎn)生；

（2）由耗盡區(qū)中的產(chǎn)生的電子-空穴對形成；

對于重?fù)诫s的PN區(qū)，還會有帶間隧穿（BTBT）現(xiàn)象貢獻的泄漏電流。源漏二極管和阱二極管的結(jié)反向偏置泄漏電流分量相對于其他三個泄漏分量通常可以忽略不計。

柵致漏極泄露電流，gate induced drain leakage (GIDL，/GIDL)

柵致漏極泄露電流是由MOS晶體管漏極結(jié)中的高場效應(yīng)引起的。由于G與D重疊區(qū)域之間存在大電場而發(fā)生隧穿并產(chǎn)生電子-空穴對，其中包含雪崩隧穿和BTBT隧穿。由于電子被掃入阱中，空穴積累在漏中形成/GIDL。

柵漏重疊區(qū)域下的強電場導(dǎo)致了深度耗盡區(qū)以及是的漏極和阱交界處耗盡層變薄，因而有效形成漏極到阱的電流/GIDL。/GIDL與VDG有關(guān)。/GIDL在NMOS中比在PMOS中還要大兩個數(shù)量級。

柵極直接隧穿電流，gate direct tunneling leakage（/G）

柵極泄露電流是有柵極上的電荷隧穿過柵氧化層進入阱（襯底）中形成。一般柵氧化層厚度為3-4 nm，由于在氧化物層上施加高電場，電子通過Fowler-Nordheim隧道進入氧化物層的導(dǎo)帶而產(chǎn)生的/G。

隨著晶體管長度和電源電壓的減小，柵極氧化物的厚度也必須減小以維持對溝道區(qū)域的有效柵極控制。不幸的是，由于電子的直接隧穿會導(dǎo)致柵極泄漏呈指數(shù)級增加。

目前，有種方法能在克服柵極漏電流的同時保持對柵極進行良好的控制，就是采用諸如TiO2和Ta2O5的高K介電材料替代SiO2做柵極絕緣體介質(zhì)層。

亞閾值泄露電流，Subthreshold (weak inversion) leakage (/SUB)

亞閾值泄漏電流是指溝道處于弱反型狀態(tài)下的源漏電流，是由器件溝道中少數(shù)載流子的擴散電流引起的。當(dāng)柵源電壓低于Vth時，器件不是馬上關(guān)閉的，晶體管事實上是進入了“亞閾值區(qū)”，在這種情況下，IDS成了VGS的指數(shù)函數(shù)。

在目前的CMOS技術(shù)中，亞閾值泄漏電流ISUB比其他泄漏電流分量大得多。這主要是因為現(xiàn)代CMOS器件中的VT相對較低。ISUB通過使用以下公式計算：

所以MOS管的靜態(tài)功耗電流IOFF主要來源：

其中占主要部分的是/SUB。

隧穿柵極氧化層漏電流

在短溝道器件中，薄柵極氧化物會在 SiO 2層上產(chǎn)生高電場。具有高電場的低氧化物厚度導(dǎo)致電子從襯底隧穿到柵極以及從柵極通過柵極氧化物隧穿到襯底，從而導(dǎo)致柵極氧化物隧穿電流。

考慮如圖所示的能帶圖。

圖. 具有(a)平帶、(b)正柵極電壓和(c)負(fù)柵極電壓的 MOS 晶體管的能帶圖

圖 2(a)，是一個平帶 MOS 晶體管，即其中不存在電荷。

當(dāng)柵極端子正偏置時，能帶圖會發(fā)生變化，如圖所示，圖 2(b)。強烈反轉(zhuǎn)表面處的電子隧道進入或穿過 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，來自 n+ 多晶硅柵極的電子隧道進入或穿過 SiO 2層，從而產(chǎn)生柵極電流，如圖 2(c) 所示。

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