Comprensión de los componentes de corriente de fuga en transistores MOS de canal corto

Este artículo cubre los conceptos básicos de los transistores MOS con miras a comprender mejor la corriente de fuga que puede ocurrir en dichos transistores.

Los transistores MOS se están reduciendo para maximizar la densidad de su paquete dentro de los circuitos integrados. Esto ha llevado a la reducción del espesor del óxido que, a su vez, ha reducido el voltaje de umbral de los dispositivos MOS. A voltajes de umbral más bajos, la corriente de fuga se vuelve significativa y contribuye a la disipación de potencia. Por eso es vital que conozcamos los distintos tipos de corrientes de fuga en un transistor MOS.

Antes de intentar comprender los diversos componentes de la corriente de fuga, revisemos primero los conceptos básicos del transistor MOS. Esto nos ayudará a comprender mejor el tema.

Revisión de la estructura del transistor MOS

La estructura del transistor MOS consta de un metal, un óxido y una estructura semiconductora (de ahí, MOS).

Considere un transistor NMOS con sustrato p y pozos de difusión n + como terminales de drenaje y fuente. La capa de óxido está hecha de SiO ₂ y crece sobre el canal entre el drenaje y la fuente. El terminal de la puerta está hecho de polisilicio o aluminio dopado n +.

Figura 1. La vista de pájaro de un transistor NMOS. Todas las imágenes de S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, capítulo 3, págs:83-93

En condición insesgada, las uniones pn en la interfase drenaje / fuente y sustrato están polarizadas inversamente. El diagrama de bandas de energía del transistor es como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. El diagrama de bandas de energía de un transistor NMOS insesgado

Como puede ver, los niveles de Fermi del metal, el óxido y el semiconductor se alinean. Hay una curva en las bandas de energía de Si debido a la caída de voltaje en la interfaz óxido-semiconductor. La dirección del campo eléctrico incorporado es de metal a óxido a semiconductor y la dirección de la caída de voltaje es opuesta a la dirección del campo eléctrico.

Esta caída de voltaje ocurre debido a la diferencia de función de trabajo entre el metal y el semiconductor (parte de la caída de voltaje ocurre a través del óxido y el resto a través del Si-SiO ₂ interfaz). La función de trabajo es la cantidad de energía requerida para que los electrones escapen del nivel de Fermi al espacio libre. Puede comprender más sobre el diagrama de bandas del transistor MOS y la flexión de bandas en este video de Jordan Edmunds.

Acumulación

A continuación, suponga que la puerta tiene voltaje negativo y la fuente donde el drenaje y el sustrato están conectados a tierra. Debido al voltaje negativo, los agujeros en el sustrato (portadores mayoritarios) son atraídos hacia la superficie. Este fenómeno se llama acumulación. Los portadores minoritarios en el sustrato (electrones) son empujados profundamente hacia él. El diagrama de bandas de energía correspondiente se muestra a continuación.

Figura 3. El diagrama de bandas de energía de un transistor NMOS con voltaje negativo en el terminal de la puerta

Dado que la dirección del campo eléctrico es de semiconductor a óxido a metal, las bandas de energía se doblan en la dirección opuesta. Además, observe los cambios en los niveles de Fermi.

Regiones de agotamiento y agotamiento

Alternativamente, considere que el voltaje de la puerta es un poco mayor que cero. Los orificios son repelidos hacia el sustrato y el canal se agota de cualquier portador de carga móvil. Este fenómeno se llama agotamiento y se crea una región de agotamiento más amplia que en la condición insesgada.

Figura 4. La región de agotamiento en un NMOS

Figura 5. El diagrama de bandas de energía correspondiente para la región de agotamiento de NMOS que se muestra en la Figura 4

Dado que el campo eléctrico va de metal a óxido a semiconductor, las bandas de energía se doblan hacia abajo.

Inversión de superficie

Si el voltaje positivo en la puerta aumenta aún más, los portadores minoritarios en el sustrato (electrones) son atraídos hacia la superficie del canal. Este fenómeno se llama inversión de la superficie y el voltaje de puerta al que la superficie simplemente se invierte se conoce como voltaje de umbral (V _th ).

Figura 6. Inversión de superficie en transistor NMOS

Figura 7. El diagrama de bandas de energía correspondiente para el transistor NMOS que se muestra en la Figura 6

Los electrones crean un canal de conducción entre la fuente y el drenaje. Si el voltaje de drenaje aumenta desde el potencial cero, una corriente de drenaje (I _d ) comienza a fluir entre la fuente y el drenaje. Las bandas de energía se doblan más hacia abajo y en la interfaz semiconductor-óxido.

Aquí, el nivel de Fermi intrínseco es menor que el nivel de Fermi de un sustrato de tipo p. Esto apoya el punto de que, en la superficie, el semiconductor es de tipo n (en los diagramas de bandas de energía de un material de tipo n, el nivel de Fermi intrínseco está en un nivel de energía menor que el nivel de energía del donante).

En el próximo artículo, delinearemos seis tipos de corriente de fuga que se encuentran en los transistores MOS.