6 Ursachen für MOS-Transistor-Leckströme

Leckströme können zur Verlustleistung beitragen, insbesondere bei niedrigeren Schwellenspannungen. Erfahren Sie mehr über sechs Arten von Leckströmen, die in MOS-Transistoren zu finden sind.

Bei der Diskussion von MOS-Transistoren gibt es grundsätzlich sechs Arten von Leckstromkomponenten in Kurzkanalbauelementen:

• Leckstrom in Sperrrichtung und pn-Übergang
• Unterschwelliger Leckstrom
  • Abflussinduzierte Barrieresenkung
  • V_te abrollen
  • Einfluss der Betriebstemperatur
• Tunneln in und durch Gate-Oxid-Leckströme
• Leckstrom aufgrund der Injektion heißer Ladungsträger vom Substrat zum Gate-Oxid
• Leckstrom aufgrund von Gate-induzierter Drain-Absenkung (GIDL)

Bevor Sie fortfahren, sollten Sie sich mit den grundlegenden Konzepten von MOS-Transistoren vertraut machen, die Sie auf die folgenden Informationen vorbereiten.

1. Reverse-Bias-pn-Übergangsleckstrom

Die Drain/Source- und Substrat-Übergänge in einem MOS-Transistor werden während des Transistorbetriebs in Sperrrichtung vorgespannt. Dies führt zu einem in Sperrrichtung vorgespannten Leckstrom im Gerät. Dieser Leckstrom kann auf Drift/Diffusion von Minoritätsträgern im Sperrbereich und auf die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren aufgrund des Lawineneffekts zurückzuführen sein. Der in Sperrrichtung vorgespannte Leckstrom des pn-Übergangs hängt von der Dotierungskonzentration und der Übergangsfläche ab.

Für stark dotierte pn-Übergänge von Drain-/Source- und Substratbereichen dominiert der Band-zu-Band-Tunneleffekt (BTBT) den Sperrstrom-Leckstrom. Beim Band-zu-Band-Tunneln tunneln Elektronen direkt vom Valenzband des p-Bereichs zum Leitungsband des n-Bereichs. BTBT ist für elektrische Felder von mehr als 10 ⁶ . sichtbar V/cm.

Abbildung 1. Band-zu-Band-Tunneln in einem in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergang eines MOS-Transistors. Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung von K.Roy et al., „Leckstrommechanismen und Leckverlustreduktionstechniken in tiefen Submikrometer-CMOS-Schaltungen“; Proz. von IEEE, Bd. 91, Nr. 2, Feb. 2003.

Beachten Sie, dass wir im Kontext dieses Artikels Tunnelphänomene so definieren, dass sie selbst dann auftreten, wenn die Energie des Elektrons viel geringer ist als die Potentialbarriere.

2. Unterschwelliger Leckstrom

Wenn die Gatespannung kleiner als die Schwellenspannung ist (V_th ), aber größer als Null, wird der Transistor im Bereich unterhalb der Schwelle oder schwacher Inversion als vorgespannt bezeichnet. Bei schwacher Inversion ist die Konzentration von Minoritätsträgern klein, aber nicht null. In einem solchen Fall ist für typische Werte von |V_DS |> 0,1 V und der gesamte Spannungsabfall findet über den Drain-Substrat-pn-Übergang statt.

Die elektrische Feldkomponente zwischen Drain und Source, parallel zum Si-SiO₂ Schnittstelle, ist klein. Aufgrund dieses vernachlässigbaren elektrischen Feldes ist der Driftstrom vernachlässigbar und der Strom unterhalb der Schwelle besteht hauptsächlich aus Diffusionsstrom.

Drain-induzierte Barrieresenkung (DIBL)

Der Leckstrom unterhalb der Schwelle ist hauptsächlich auf eine Drain-induzierte Barrierenabsenkung oder DIBL zurückzuführen. In Kurzkanalbauelementen interagieren die Verarmungsbereiche von Drain und Source miteinander und reduzieren die Potentialbarriere an der Source. Die Quelle ist dann in der Lage, Ladungsträger in die Oberfläche des Kanals zu injizieren, was zu einem Leckstrom unterhalb der Schwelle führt.

DIBL ist bei hohen Drainspannungen und Kurzkanalgeräten ausgeprägt.

V_te Abrollen

Die Schwellenspannung von MOS-Bauelementen verringert sich aufgrund der Reduzierung der Kanallänge. Dieses Phänomen wird V_th . genannt Roll-Off (oder Schwellenspannungs-Roll-Off). Bei Geräten mit kurzem Kanal dringen die Drain- und Source-Verarmungsbereiche weiter in die Kanallänge ein und verarmen einen Teil des Kanals.

Aus diesem Grund ist eine geringere Gatespannung erforderlich, um den Kanal zu invertieren, wodurch die Schwellenspannung verringert wird. Dieses Phänomen ist für höhere Drainspannungen ausgeprägt. Die Reduzierung der Schwellenspannungen erhöht den unterschwelligen Leckstrom, da der unterschwellige Strom umgekehrt proportional zur Schwellenspannung ist.

Einfluss der Betriebstemperatur

Auch die Temperatur spielt beim Leckstrom eine Rolle. Die Schwellenspannung nimmt mit steigender Temperatur ab. Mit anderen Worten, der Strom unterhalb der Schwelle steigt mit steigender Temperatur.

3. Tunneln in und durch Gate-Oxid-Leckströme

Bei Geräten mit kurzem Kanal führt ein dünnes Gate-Oxid zu hohen elektrischen Feldern über dem SiO₂ Schicht. Eine niedrige Oxiddicke mit hohen elektrischen Feldern führt zu einem Tunneln von Elektronen vom Substrat zum Gate und vom Gate zum Substrat durch das Gateoxid, was zu einem Gateoxid-Tunnelstrom führt.

Betrachten Sie die Energiebanddiagramme wie gezeigt.

Abbildung 2. Energiebanddiagramme von MOS-Transistoren mit (a) Flachband, (b) eine positive Gatespannung und (c) eine negative Gatespannung

Das erste Diagramm, Abbildung 2(a), zeigt einen Flachband-MOS-Transistor, d. h. in dem keine Ladung vorhanden ist.

Wenn der Gate-Anschluss positiv vorgespannt ist, ändert sich das Energiebanddiagramm, wie im zweiten Diagramm, Fig. 2(b) gezeigt. Die Elektronen am stark invertierten Oberflächentunnel in oder durch das SiO₂ Schicht, die Gate-Strom erzeugt.

Andererseits, wenn eine negative Gatespannung angelegt wird, tunneln Elektronen aus dem n+ Polysilizium-Gate in oder durch das SiO₂ . Schicht, die einen Gate-Strom erzeugt, wie in Abbildung 2(c) gezeigt.

Fowler-Nordheim Tunneling und Direct Tunneling

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Tunnelmechanismen zwischen dem Gate und dem Substrat. Sie sind:

• Fowler-Nordheim-Tunneling, bei dem die Elektronen durch eine dreieckige Potentialbarriere tunneln
• Direktes Tunneln, bei dem die Elektronen durch eine trapezförmige Potentialbarriere tunneln

Abbildung 3. Energiebanddiagramme mit (a) Fowler-Nordheim-Tunneln durch die dreieckige Potentialbarriere des Oxids und (b) Direktes Tunneln durch trapezförmige Potentialbarriere des Oxids

Sie können die Energiebanddiagramme für beide Tunnelmechanismen in den Abbildungen 3(a) und 3(b) oben sehen.

4. Leckstrom aufgrund der Injektion heißer Ladungsträger vom Substrat zum Gate-Oxid

In Kurzkanalvorrichtungen erregt das hohe elektrische Feld nahe der Substrat-Oxid-Grenzfläche die Elektronen oder Löcher und sie durchqueren die Substrat-Oxid-Grenzfläche, um in die Oxidschicht einzutreten. Dieses Phänomen ist als Injektion heißer Ladungsträger bekannt.

Abbildung 4. Energiebanddiagramm, das zeigt, dass Elektronen aufgrund eines hohen elektrischen Felds ausreichend Energie gewinnen und das Oxidsperrpotential überschreiten (Injektionseffekt heißer Ladungsträger)

Dieses Phänomen betrifft eher Elektronen als Löcher. Dies liegt daran, dass Elektronen im Vergleich zu Löchern eine geringere effektive Masse und eine geringere Barrierenhöhe haben.

5. Leckstrom aufgrund von Gate-Induced Drain Senken (GIDL)

Betrachten Sie einen NMOS-Transistor mit einem p-Typ-Substrat. Liegt eine negative Spannung am Gate-Anschluss an, sammeln sich positive Ladungen gerade an der Oxid-Substrat-Grenzfläche an. Aufgrund der angesammelten Löcher am Substrat verhält sich die Oberfläche wie ein stärker dotierter p-Bereich als das Substrat.

Dies führt zu einer dünneren Verarmungsregion an der Oberfläche entlang der Drain-Substrat-Grenzfläche (im Vergleich zur Dicke der Verarmungsregion in der Masse).

Abbildung 5. (a) Bildung einer dünnen Verarmungsregion an der Drain-Substrat-Grenzfläche entlang der Oberfläche und (b) Fluss des GIDL-Stroms aufgrund von Ladungsträgern, die durch Lawineneffekt und BTBT erzeugt werden

Aufgrund einer dünnen Verarmungsregion und höheren elektrischen Feldern treten der Lawineneffekt und das Band-zu-Band-Tunneln (wie im ersten Abschnitt dieses Artikels diskutiert) auf. Dadurch werden Minoritätsträger im Drainbereich unterhalb des Gates erzeugt und durch die negative Gatespannung in das Substrat gedrückt. Dies erhöht den Leckstrom.

6. Leckstrom aufgrund des Punch-Through-Effekts

Bei Kurzkanalvorrichtungen kommt aufgrund der Nähe von Drain- und Source-Anschlüssen die Verarmungsregion beider Anschlüsse zusammen und verschmelzen schließlich. In einem solchen Zustand soll "Punch-Through" stattgefunden haben.

Der Punch-Through-Effekt senkt die Potentialbarriere für die meisten Ladungsträger von der Quelle. Dies erhöht die Anzahl der in das Substrat eintretenden Ladungsträger. Einige dieser Ladungsträger werden vom Drain gesammelt und der Rest trägt zum Leckstrom bei.

Sie sollten jetzt mit sechs Arten von Leckströmen vertraut sein, die mit MOS-Transistoren verbunden sind. Wenn Sie weitere Fragen zu diesen Konzepten haben, hinterlassen Sie bitte unten einen Kommentar.