Leckströme in Kurzkanal-MOS-Transistoren entschlüsseln: Wichtige Einblicke für Low-Power-Design

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen von MOS-Transistoren mit dem Ziel, die Leckströme besser zu verstehen, die in solchen Transistoren auftreten können.

MOS-Transistoren werden skaliert, um ihre Packing Density in integrierten Schaltungen zu maximieren. Dies führte zur Reduktion der Oxid-Dicke, was wiederum die Threshold-Spannung der MOS-Devices verringerte. Bei niedrigeren Threshold-Spannungen wird Leckstrom signifikant und trägt zur Leistungsdissipation bei. Deshalb ist es vital, die verschiedenen Arten von Leckströmen in einem MOS-Transistor zu kennen.

Bevor wir die verschiedenen Leckstrom-Komponenten verstehen, lassen Sie uns zunächst die MOS-Transistor-Kernkonzepte rekapitulieren. Dies wird uns helfen, tiefere Einblicke in das Thema zu gewinnen.

Die MOS-Transistor-Struktur rekapituliert

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

Betrachten Sie einen NMOS-Transistor mit p-Substrat und n+-Diffusions-Wannen als Drain- und Source-Terminals. Die Oxidschicht besteht aus SiO₂ und wird über den Kanal zwischen Drain und Source gewachsen. Das Gate-Terminal besteht aus n+-dotiertem Polysilizium oder Aluminium.

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

In unvoreingenommener Bedingung sind die pn-Junctions an den Drain/Source- und Substrat-Interfaces reverse biased. Das Energiebanddiagramm des Transistors ist wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2. Energiebanddiagramm eines unvoreingenommenen NMOS-Transistors

Wie Sie sehen, richten sich die Fermi-Niveaus von Metall, Oxid und Halbleiter aus. Es gibt eine Biegung in den Si-Energiebändern aufgrund des Spannungsabfalls am Oxid-Halbleiter-Interface. Die Richtung des eingebauten elektrischen Feldes geht von Metall zu Oxid zu Halbleiter, und die Richtung des Spannungsabfalls ist entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes.

Dieser Spannungsabfall erfolgt aufgrund der Work-Function-Differenz zwischen Metall und Halbleiter (ein Teil des Spannungsabfalls findet über dem Oxid statt, der Rest über dem Si-SiO₂-Interface). Die Work Function ist die Energiemenge, die Elektronen benötigen, um vom Fermi-Niveau in den freien Raum zu entweichen. Mehr über das MOS-Transistor-Banddiagramm und Band Bending erfahren Sie in diesem Video von Jordan Edmunds.

Akkumulation

Angenommen, das Gate hat negative Spannung, während Source, Drain und Substrat geerdet sind. Durch die negative Spannung werden die Löcher im Substrat (Majority Carrier) zur Oberfläche angezogen. Dieses Phänomen heißt Akkumulation. Die Minority Carrier im Substrat (Elektronen) werden tief hineingedrückt. Das zugehörige Energiebanddiagramm ist unten gegeben.

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

Da die Richtung des elektrischen Feldes von Halbleiter zu Oxid zu Metall geht, biegen sich die Energiebänder in die entgegengesetzte Richtung. Beachten Sie auch die Verschiebungen der Fermi-Niveaus.

Depletion und Depletion-Regionen

Alternativ betrachten Sie die Gate-Spannung als knapp über Null. Die Löcher werden zurück in das Substrat abgestoßen und der Kanal ist von mobilen Ladungsträgern entleert. Dieses Phänomen heißt Depletion, und eine breitere Depletion-Region als im unvoreingenommenen Zustand entsteht.

Abbildung 4. Depletion-Region in einem NMOS

Abbildung 5. Zugehöriges Energiebanddiagramm für die in Abbildung 4 gezeigte NMOS-Depletion-Region

Da das elektrische Feld von Metall zu Oxid zu Halbleiter geht, biegen sich die Energiebänder nach unten.

Surface Inversion

Wenn die positive Spannung am Gate weiter erhöht wird, werden die Minority Carrier im Substrat (Elektronen) zur Oberfläche des Kanals angezogen. Dieses Phänomen heißt Surface Inversion, und die Gate-Spannung, bei der die Oberfläche gerade invertiert, ist die Threshold-Spannung (V_th).

Abbildung 6. Surface Inversion im NMOS-Transistor

Abbildung 7. Zugehöriges Energiebanddiagramm für den in Abbildung 6 gezeigten NMOS-Transistor

Die Elektronen bilden einen Leitkanal zwischen Source und Drain. Wenn die Drain-Spannung dann von Nullpotenzial erhöht wird, fließt ein Drain-Strom (I_d) zwischen Source und Drain. Die Energiebändern biegen sich weiter nach unten und am Halbleiter-Oxid-Interface.

Hier ist das intrinsische Fermi-Niveau niedriger als das Fermi-Niveau eines p-typen Substrats. Dies stützt den Punkt, dass an der Oberfläche der Halbleiter n-Typ ist (in Energiebanddiagrammen eines n-Typ Materials ist das intrinsische Fermi-Niveau auf einem niedrigeren Energieniveau als das Donator-Energieniveau).

Im nächsten Artikel werden wir sechs Arten von Leckströmen in MOS-Transistoren detaillieren.