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  • MOS管各種泄漏電流的原因解析
    • 發(fā)布時間:2023-06-17 16:32:25
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    MOS管各種泄漏電流的原因解析
    MOS 晶體管正在按比例縮小,以最大限度地提高其在集成電路內(nèi)的封裝密度。這導(dǎo)致氧化層厚度的減少,進(jìn)而降低了 MOS 器件的閾值電壓。在較低的閾值電壓下,泄漏電流變得很大,并有助于功耗。這就是為什么我們必須了解 MOS 晶體管中各種類型的泄漏電流的原因。
    MOS晶體管結(jié)構(gòu)由金屬、氧化物和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(因此,MOS)組成。
    考慮具有 p 襯底和 n+ 擴散阱作為漏極和源極端子的 NMOS 晶體管。氧化層由SiO 2制成并生長在漏極和源極之間的溝道上。柵極端子由n+摻雜的多晶硅或鋁制成。
    MOS管 漏極 電流
    在無偏置條件下,漏極/源極和襯底界面處的 pn 結(jié)是反向偏置的。晶體管的能帶圖如圖2所示。
    MOS管 漏極 電流
    圖 2. 無偏 NMOS 晶體管的能帶圖
    如您所見,金屬、氧化物和半導(dǎo)體的費米能級相互對齊。由于氧化物-半導(dǎo)體界面處的電壓降,Si 能帶存在彎曲。內(nèi)建電場的方向是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體,電壓降的方向與電場的方向相反。
    這種電壓降是由于金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差異而發(fā)生的(部分電壓降發(fā)生在氧化物上,其余部分發(fā)生在 Si-SiO 2界面上)。功函數(shù)是電子從費米能級逃逸到自由空間所需的能量。
    積累
    接下來,假設(shè)柵極有負(fù)電壓,源極的漏極和襯底接地。由于負(fù)電壓,基板中的空穴(多數(shù)載流子)被吸引到表面。這種現(xiàn)象稱為積累。襯底中的少數(shù)載流子(電子)被推回深處。對應(yīng)的能帶圖如下。
    MOS管 漏極 電流
    圖 3.柵極端負(fù)電壓 NMOS 晶體管的能帶圖
    由于電場的方向是從半導(dǎo)體到氧化物再到金屬,所以能帶向相反方向彎曲。此外,請注意費米能級的變化。
    耗盡和耗盡區(qū)
    或者,考慮柵極電壓剛好大于零。空穴被排斥回基板中,并且通道耗盡了任何移動電荷載流子。這種現(xiàn)象稱為耗盡,并創(chuàng)建了比無偏條件更寬的耗盡區(qū)域。
    MOS管 漏極 電流
    由于電場是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體,所以能帶向下彎曲。
    表面反轉(zhuǎn)
    如果進(jìn)一步增加?xùn)艠O處的正電壓,則襯底中的少數(shù)載流子(電子)被吸引到溝道表面。這種現(xiàn)象稱為表面反轉(zhuǎn),而表面剛好反轉(zhuǎn)的柵極電壓稱為閾值電壓 (V th )。
    MOS管 漏極 電流
    電子在源極和漏極之間形成一個傳導(dǎo)通道。如果隨后從零電位開始增加漏極電壓,則漏極電流 (I d ) 開始在源極和漏極之間流動。能帶進(jìn)一步向下彎曲并在半導(dǎo)體-氧化物界面處彎曲。
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