了解短沟道 MOS 晶体管中的漏电流成分

MOS 晶体管正在按比例缩小，以限度地提高集成电路内的封装密度。这导致氧化物厚度的减少，进而降低了 MOS 器件的阈值电压。在较低的阈值电压下，漏电流变得很大并有助于功耗。这就是为什么了解 MOS 晶体管中各种类型的漏电流至关重要。

在我们尝试了解各种漏电流成分之前，让我们先回顾一下 MOS 晶体管的概念。这将帮助我们更好地了解该主题。

回顾 MOS 晶体管结构

MOS 晶体管结构由金属、氧化物和半导体结构（因此称为 MOS）组成。

考虑一个 NMOS 晶体管，它具有 p 衬底和 n+ 扩散阱作为漏极端子和源极端子。氧化物层由 SiO 2制成，并生长在漏极和源极之间的沟道上方。栅极端由n+掺杂的多晶硅或铝制成。

图 1.  NMOS 晶体管的鸟瞰图。所有图片来自 SM Kang，Y. Leblebici，CMOS 数字集成电路， TMH，2003，第 3 章，第 83-93 页

在无偏置条件下，漏极/源极和衬底界面处的 pn 结是反向偏置的。三极管的能带图如图2所示。

图 2. 无偏置 NMOS 晶体管的能带图

如您所见，金属、氧化物和半导体的费米能级自行对齐。由于氧化物-半导体界面处的电压降，Si 能带中存在弯曲。内置电场的方向是从金属到氧化物再到半导体，电压降的方向与电场的方向相反。

这种电压降是由于金属和半导体之间的功函数差异而发生的（部分电压降发生在氧化物上，其余电压降发生在 Si-SiO 2 界面上）。功函数是电子从费米能级逃逸到自由空间所需的能量。您可以在Jordan Edmunds 的这段视频中了解有关 MOS 晶体管能带图和能带弯曲的更多信息。

积累

接下来，假设栅极具有负电压，而漏极和衬底接地的源极。由于负电压，衬底中的空穴（多数载流子）被吸引到表面。这种现象称为积累。基板中的少数载流子（电子）被推回到基板深处。下面给出相应的能带图。

图 3.栅极端负电压的 NMOS 晶体管的能带图

由于电场的方向是从半导体到氧化物再到金属，因此能带向相反方向弯曲。另外，请注意费米能级的变化。

耗尽区和耗尽区

或者，考虑栅极电压刚好大于零。空穴被排斥回到衬底中，通道中的任何移动电荷载流子都被耗尽。这种现象称为耗尽，会产生比无偏条件下更宽的耗尽区。

图 4.  NMOS 中的耗尽区


图 5. 图 4 中 NMOS 耗尽区的相应能带图

由于电场是从金属到氧化物再到半导体，因此能带向下弯曲。

地表反转

如果进一步提高栅极的正电压，则衬底中的少数载流子（电子）被吸引到沟道表面。这种现象称为表面反转，表面刚好反转时的栅极电压称为阈值电压 (Vth )。

图 6.  NMOS 晶体管的表面反转


图 7.图 6 中 NMOS 晶体管的相应能带图

电子在源极和漏极之间形成传导通道。如果漏极电压随后从零电位增加，则漏极电流 (Id )开始在源极和漏极之间流动。能带进一步向下弯曲并在半导体-氧化物界面处弯曲。

这里，本征费米能级小于 p 型衬底的费米能级。这支持了这样的观点，即在表面，半导体是 n 型的（在 n 型材料的能带图中，本征费米能级的能级低于施主能级）。