Descifrando Corrientes de Fuga en Transistores MOS de Canal Corto: Claves para Diseño de Bajo Consumo

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

Los transistores MOS se escalan para maximizar su densidad de empaquetado en circuitos integrados. Esto ha llevado a la reducción del espesor del óxido, lo 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 conocer los diversos tipos de corrientes de fuga en un transistor MOS.

Antes de intentar entender los diversos componentes de corriente de fuga, revisemos primero los conceptos centrales del transistor MOS. Esto nos ayudará a obtener mejores perspectivas sobre el tema.

La Estructura del Transistor MOS Revisitada

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

Considere un transistor NMOS con sustrato tipo p y pozos de difusión n+ como terminales de drenaje y fuente. La capa de óxido está hecha de SiO₂ y se crece sobre el canal entre el drenaje y la fuente. El terminal de compuerta está hecho de polisilicio dopado n+ o aluminio.

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

En condición no sesgada, las uniones pn en la interfaz drenaje/fuente y sustrato están polarizadas inversamente. El diagrama de bandas de energía del transistor se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Diagrama de bandas de energía de un transistor NMOS no sesgado

Como se ve, los niveles de Fermi del metal, óxido y semiconductor se alinean. Hay una curvatura en las bandas de energía del Si debido a la caída de voltaje en la interfaz óxido‑semiconductor. La dirección del campo eléctrico interno 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 metal y semiconductor (parte de la caída de voltaje tiene lugar a través del óxido y el resto a través de la interfaz Si‑SiO₂). La función de trabajo es la cantidad de energía requerida para que los electrones escapen del nivel de Fermi al espacio libre. Puede entender más sobre el diagrama de bandas del transistor MOS y la curvatura de bandas en este vídeo de Jordan Edmunds.

Acumulación

Supongamos que la compuerta tiene voltaje negativo y la fuente, el drenaje y el sustrato están a tierra. Debido al voltaje negativo, los huecos en el sustrato (portadores mayoritarios) son atraídos a la superficie. Este fenómeno se llama acumulación. Los portadores minoritarios en el sustrato (electrones) son empujados profundamente en él. El diagrama de bandas de energía correspondiente se da a continuación.

Figura 3. Diagrama de bandas de energía de un transistor NMOS con voltaje negativo en el terminal de compuerta

Dado que la dirección del campo eléctrico es de semiconductor a óxido a metal, las bandas de energía se curvan en la dirección opuesta. Observe también los desplazamientos en los niveles de Fermi.

Agotamiento y Regiones de Agotamiento

Alternativamente, considere el voltaje de compuerta justo mayor que cero. Los huecos son repelidos de nuevo al sustrato y el canal se agota de portadores de carga móviles. Este fenómeno se llama agotamiento y se crea una región de agotamiento más ancha que en la condición no sesgada.

Figura 4. La región de agotamiento en un NMOS

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

Dado que el campo eléctrico es de metal a óxido a semiconductor, las bandas de energía se curvan en dirección descendente.

Inversión de Superficie

Si el voltaje positivo en la compuerta se aumenta aún más, los portadores minoritarios en el sustrato (electrones) son atraídos a la superficie del canal. Este fenómeno se llama inversión de superficie y el voltaje de compuerta en el que la superficie apenas 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 mostrado en la Figura 6

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

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

En el próximo artículo, delinearemos seis tipos de corriente de fuga encontrados en transistores MOS.