Die Leckstromkomponenten in Kurzkanal-MOS-Transistoren verstehen

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen von MOS-Transistoren mit dem Ziel, den Leckstrom, der in solchen Transistoren auftreten kann, besser zu verstehen.

MOS-Transistoren werden verkleinert, um ihre Packungsdichte in integrierten Schaltungen zu maximieren. Dies hat zu einer Verringerung der Oxiddicke geführt, was wiederum die Schwellenspannung der MOS-Bauelemente verringert hat. Bei niedrigeren Schwellenspannungen wird der Leckstrom signifikant und trägt zur Verlustleistung bei. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass wir die verschiedenen Arten von Leckströmen in einem MOS-Transistor kennen.

Bevor wir versuchen, die verschiedenen Leckstromkomponenten zu verstehen, lassen Sie uns zunächst die Konzepte des MOS-Transistorkerns noch einmal betrachten. Dies wird uns helfen, einen besseren Einblick in das Thema zu erhalten.

Die MOS-Transistorstruktur erneut besucht

Die MOS-Transistorstruktur besteht aus einem Metall, einem Oxid und einer Halbleiterstruktur (daher MOS).

Betrachten Sie einen NMOS-Transistor mit p-Substrat und n+-Diffusionsquellen als Drain- und Source-Anschlüsse. Die Oxidschicht besteht aus SiO₂ und wird über dem Kanal zwischen Drain und Source aufgewachsen. Der Gate-Anschluss besteht aus n+-dotiertem Polysilizium oder Aluminium.

Abbildung 1. Die Vogelperspektive eines NMOS-Transistors. Alle Bilder von S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, Kap.3, S.:83-93

Im nicht vorgespannten Zustand sind die pn-Übergänge an der Grenzfläche zwischen Drain/Source und Substrat in Sperrrichtung vorgespannt. Das Energiebanddiagramm des Transistors ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Das Energiebanddiagramm eines erwartungsfreien NMOS-Transistors

Wie Sie sehen können, richten sich die Fermi-Niveaus von Metall, Oxid und Halbleiter aus. Aufgrund des Spannungsabfalls an der Oxid-Halbleiter-Grenzfläche gibt es eine Krümmung in den Si-Energiebändern. Die Richtung des eingebauten elektrischen Feldes ist vom Metall zum Oxid zum Halbleiter und die Richtung des Spannungsabfalls ist der Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt.

Dieser Spannungsabfall tritt aufgrund der Austrittsarbeitsdifferenz zwischen Metall und Halbleiter auf (ein Teil des Spannungsabfalls findet über das Oxid statt und der Rest über das Si-SiO₂ Schnittstelle). Die Austrittsarbeit ist die Energiemenge, die die Elektronen benötigen, um vom Fermi-Niveau in den freien Raum zu entkommen. In diesem Video von Jordan Edmunds erfahren Sie mehr über das MOS-Transistor-Banddiagramm und das Band-Bending.

Akkumulation

Nehmen wir als nächstes an, das Gate hat eine negative Spannung und die Source, wo der Drain und das Substrat geerdet sind. Durch die negative Spannung werden die Löcher im Substrat (Mehrheitsträger) von der Oberfläche angezogen. Dieses Phänomen wird Akkumulation genannt. Die Minoritätsträger im Substrat (Elektronen) werden tief hineingedrückt. Das entsprechende Energiebanddiagramm ist unten angegeben.

Abbildung 3. Das Energiebanddiagramm eines NMOS-Transistors mit negativer Spannung am Gate-Anschluss

Da die Richtung des elektrischen Feldes vom Halbleiter über das Oxid zum Metall verläuft, biegen sich die Energiebänder in die entgegengesetzte Richtung. Beachten Sie auch die Verschiebungen der Fermi-Niveaus.

Erschöpfung und Erschöpfungsregionen

Betrachten Sie alternativ die Gate-Spannung als gerade größer als Null. Die Löcher werden zurück in das Substrat abgestoßen und der Kanal wird von jeglichen beweglichen Ladungsträgern befreit. Dieses Phänomen wird als Verarmung bezeichnet und es wird ein Verarmungsbereich erzeugt, der breiter als im erwartungsfreien Zustand ist.

Abbildung 4. Die Verarmungsregion in einem NMOS

Abbildung 5. Das entsprechende Energiebanddiagramm für die NMOS-Verarmungsregion in Abbildung 4

Da das elektrische Feld von Metall über Oxid bis hin zu Halbleiter reicht, biegen sich die Energiebänder nach unten.

Oberflächeninversion

Wird die positive Spannung am Gate weiter erhöht, werden die Minoritätsträger im Substrat (Elektronen) von der Oberfläche des Kanals angezogen. Dieses Phänomen wird Oberflächeninversion genannt und die Gatespannung, bei der sich die Oberfläche gerade invertiert, wird als Schwellenspannung (V_th ).

Abbildung 6. Oberflächeninversion im NMOS-Transistor

Abbildung 7. Das entsprechende Energiebanddiagramm für den NMOS-Transistor in Abbildung 6

Die Elektronen bilden einen Leitungskanal zwischen Source und Drain. Wenn dann die Drainspannung vom Nullpotential erhöht wird, wird ein Drainstrom (I_d ) beginnt zwischen Source und Drain zu fließen. Die Energiebänder biegen sich weiter nach unten und an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche.

Hier ist das intrinsische Fermi-Niveau geringer als das Fermi-Niveau eines p-Typ-Substrats. Dies unterstützt den Punkt, dass der Halbleiter an der Oberfläche vom n-Typ ist (in den Energiebanddiagrammen eines n-Typ-Materials liegt das intrinsische Fermi-Niveau auf einem niedrigeren Energieniveau als das Donor-Energieniveau).

Im nächsten Artikel werden wir sechs Arten von Leckströmen beschreiben, die in MOS-Transistoren vorkommen.