6 Causas de la corriente de fuga del transistor MOS

La corriente de fuga puede contribuir a la disipación de potencia, especialmente en voltajes de umbral más bajos. Obtenga más información sobre los seis tipos de corriente de fuga que se pueden encontrar en los transistores MOS.

Cuando se habla de transistores MOS, existen básicamente seis tipos de componentes de corriente de fuga en dispositivos de canal corto:

• Corriente de fuga de unión de polarización inversa-pn
• Corriente de fuga subumbral
  • Reducción de la barrera inducida por el drenaje
  • V _th rodar
  • Efecto de la temperatura de funcionamiento
• Túnel hacia y a través de la corriente de fuga de óxido de la compuerta
• Corriente de fuga debido a la inyección de portador caliente desde el sustrato al óxido de puerta
• Corriente de fuga debido a la reducción del drenaje inducida por la compuerta (GIDL)

Antes de continuar, asegúrese de estar familiarizado con los conceptos básicos de los transistores MOS que lo prepararán para la siguiente información.

1. Corriente de fuga de unión pn de polarización inversa

Las uniones de drenaje / fuente y sustrato en un transistor MOS tienen polarización inversa durante el funcionamiento del transistor. Esto da como resultado una corriente de fuga con polarización inversa en el dispositivo. Esta corriente de fuga puede deberse a la deriva / difusión de portadores minoritarios en la región de polarización inversa y a la generación de pares de electrones y huecos debido al efecto de avalancha. La corriente de fuga con polarización inversa de la unión pn depende de la concentración de dopaje y el área de la unión.

Para la unión pn fuertemente dopada de las regiones de drenaje / fuente y sustrato, el efecto de tunelización de banda a banda (BTBT) domina la corriente de fuga de polarización inversa. En la tunelización de banda a banda, los electrones hacen un túnel directamente desde la banda de valencia de la región p hasta la banda de conducción de la región n. BTBT es visible para campos eléctricos superiores a 10 ⁶ V / cm.

Figura 1. Túnel de banda a banda en la unión pn con polarización inversa de un transistor MOS. Todas las imágenes se utilizaron por cortesía de K.Roy, et al., "Mecanismos de corriente de fuga y técnicas de reducción de fugas en circuitos CMOS de submicrómetros profundos"; Proc. de IEEE, Vol. 91, núm. 2, febrero de 2003.

Tenga en cuenta que, en el contexto de este artículo, definimos los fenómenos de efecto túnel como que tienen lugar incluso cuando la energía del electrón es mucho menor que la barrera potencial.

2. Corriente de fuga subumbral

Cuando el voltaje de la puerta es menor que el voltaje de umbral (V _th ) pero mayor que cero, se dice que el transistor está polarizado en el subumbral o región de inversión débil. En inversión débil, la concentración de portadores minoritarios es pequeña pero no nula. En tal caso, para valores típicos de | V _DS |> 0.1V y toda la caída de voltaje ocurre a través de la unión pn de drenaje-sustrato.

El componente del campo eléctrico entre el drenaje y la fuente, paralelo al Si-SiO ₂ interfaz, es pequeña. Debido a este campo eléctrico insignificante, la corriente de deriva es insignificante y la corriente subumbral consiste principalmente en corriente de difusión.

Reducción de barrera inducida por drenaje (DIBL)

La corriente de fuga por debajo del umbral se debe principalmente a la reducción de la barrera inducida por el drenaje o DIBL. En los dispositivos de canal corto, la región de agotamiento del drenaje y la fuente interactúan entre sí y reducen la barrera potencial en la fuente. Luego, la fuente puede inyectar portadores de carga en la superficie del canal, lo que da como resultado una corriente de fuga por debajo del umbral.

DIBL se pronuncia en voltajes de drenaje altos y dispositivos de canal corto.

V _th Desplácese

El voltaje de umbral de los dispositivos MOS se reduce debido a la reducción de la longitud del canal. Este fenómeno se llama V _th caída (o caída de voltaje umbral). En los dispositivos de canal corto, el drenaje y la región de agotamiento de la fuente ingresan más en la longitud del canal, lo que agota una parte del canal.

Debido a esto, se requiere un voltaje de puerta menor para invertir el canal reduciendo el voltaje de umbral. Este fenómeno es pronunciado para voltajes de drenaje más altos. La reducción de los voltajes umbral aumenta la corriente de fuga subumbral ya que la corriente subumbral es inversamente proporcional al voltaje umbral.

Efecto de la temperatura de funcionamiento

La temperatura también juega un papel en la corriente de fuga. El voltaje umbral disminuye al aumentar la temperatura. O, en otras palabras, la corriente subumbral aumenta al aumentar la temperatura.

3. Túnel hacia y a través de la puerta de fuga de óxido de corriente

En los dispositivos de canal corto, un óxido de puerta delgado da como resultado campos eléctricos altos a través del SiO ₂ capa. El bajo espesor de óxido con campos eléctricos elevados hace que los electrones formen un túnel desde el sustrato hasta la puerta y desde la puerta hasta el sustrato a través del óxido de la puerta, lo que da como resultado una corriente de túnel del óxido de la puerta.

Considere los diagramas de bandas de energía como se muestra.

Figura 2. Diagramas de bandas de energía de transistores MOS con (a) banda plana, (b) un voltaje de puerta positivo y (c) un voltaje de puerta negativo

El primer diagrama, Figura 2 (a), es de un transistor MOS de banda plana, es decir, donde no hay carga presente en él.

Cuando el terminal de la puerta está polarizado positivamente, el diagrama de bandas de energía cambia como se muestra en el segundo diagrama, Figura 2 (b). Los electrones en la superficie fuertemente invertida hacen un túnel hacia o a través del SiO ₂ capa que da lugar a la corriente de la puerta.

Por otro lado, cuando se aplica un voltaje de compuerta negativo, los electrones del túnel de compuerta de polisilicio n + dentro o a través del SiO ₂ capa que da lugar a la corriente de la puerta, como se muestra en la Figura 2 (c).

Túneles Fowler-Nordheim y túneles directos

Existen principalmente dos tipos de mecanismos de tunelización entre la puerta y el sustrato. Ellos son:

• Túnel de Fowler-Nordheim, donde los electrones atraviesan una barrera de potencial triangular
• Túnel directo, donde los electrones atraviesan una barrera de potencial trapezoidal

Figura 3. Diagramas de bandas de energía que muestran (a) Túnel de Fowler-Nordheim a través de la barrera de potencial triangular del óxido y (b) Túnel directo a través de la barrera de potencial trapezoidal del óxido

Puede ver los diagramas de bandas de energía para ambos mecanismos de túnel en las Figuras 3 (a) y 3 (b) anteriores.

4. Corriente de fuga debido a la inyección del portador caliente desde el sustrato al óxido de compuerta

En los dispositivos de canal corto, el alto campo eléctrico cerca de la interfaz sustrato-óxido energiza los electrones u orificios y cruzan la interfaz sustrato-óxido para entrar en la capa de óxido. Este fenómeno se conoce como inyección de portador caliente.

Figura 4. Diagrama de bandas de energía que muestra a los electrones que obtienen suficiente energía debido al alto campo eléctrico y cruzan el potencial de barrera de óxido (efecto de inyección de portador caliente)

Es más probable que este fenómeno afecte a los electrones que a los huecos. Esto se debe a que los electrones tienen una masa efectiva menor y una altura de barrera menor en comparación con los huecos.

5. Corriente de fuga debido a la reducción del drenaje inducida por la compuerta (GIDL)

Considere un transistor NMOS con un sustrato de tipo p. Cuando hay un voltaje negativo en el terminal de la puerta, las cargas positivas se acumulan justo en la interfaz óxido-sustrato. Debido a los agujeros acumulados en el sustrato, la superficie se comporta como una región p más dopada que el sustrato.

Esto da como resultado una región de agotamiento más delgada en la superficie a lo largo de la interfaz drenaje-sustrato (en comparación con el grosor de la región de agotamiento en la masa).

Figura 5. (a) Formación de una región de agotamiento delgada en la interfaz drenaje-sustrato a lo largo de la superficie y (b) flujo de corriente GIDL debido a portadores generados por efecto de avalancha y BTBT

Debido a una región de agotamiento delgada y campos eléctricos más altos, tienen lugar el efecto de avalancha y la tunelización de banda a banda (como se discutió en la primera sección de este artículo). Por lo tanto, los portadores minoritarios en la región de drenaje debajo de la puerta se generan y son empujados hacia el sustrato por el voltaje negativo de la puerta. Esto se suma a la corriente de fuga.

6. Corriente de fuga debido al efecto de perforación

En los dispositivos de canal corto, debido a la proximidad de los terminales de drenaje y de fuente, la región de agotamiento de ambos terminales se junta y finalmente se fusiona. En tal condición, se dice que ha tenido lugar "punch-through".

El efecto de penetración reduce la barrera potencial para la mayoría de los portadores de la fuente. Esto aumenta el número de portadores que entran en el sustrato. Algunos de estos portadores son recogidos por el drenaje y el resto contribuye a la corriente de fuga.

Ahora debería estar familiarizado con seis tipos de corriente de fuga asociados con los transistores MOS. Si tiene más preguntas sobre estos conceptos, deje un comentario a continuación.