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  • 五種MOS管泄漏電流與產(chǎn)生原因介紹
    • 發(fā)布時間:2024-12-20 18:47:07
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    五種MOS管泄漏電流與產(chǎn)生原因介紹
    本文介紹了五種MOS管在實(shí)際應(yīng)用中存在的漏電流:反偏結(jié)泄漏電流、柵極致漏極泄漏電流、柵極直接隧穿電流、亞閾值泄漏電流和隧穿柵極氧化層漏電流。這些漏電流會影響低功耗設(shè)備電池的壽命和s&h電路信號保持時間。為了減小漏電流,可以使用高K介電材料替代SiO2作為柵極絕緣體介質(zhì)層。同時,亞閾值泄漏電流在CMOS技術(shù)中較大,可以通過降低閾值電壓來減小其影響。
    你不知道的五種MOS管泄漏電流以及產(chǎn)生原因
    在實(shí)際應(yīng)用中,MOS管常常存在各種漏電流,這使得它嚴(yán)重減少了低功耗設(shè)備電池的使用壽命,以及在一些s&h電路中,限制了信號保持時間。而一個理想的MOS管是不應(yīng)該存在任何電流流入襯底的,特別是當(dāng)MOS管關(guān)斷時,漏-源極之間不應(yīng)該存在任何電流。
    那么,今天我們來了解MOS管以下5種漏電流。
    反偏結(jié)泄漏電流
    :當(dāng)MOS管關(guān)斷時,通過反偏二極管從源貨漏極到襯底。
    其主要由兩部分組成:
    1. 由耗盡區(qū)邊緣的擴(kuò)散和漂移電流產(chǎn)生
    2. 由耗盡區(qū)中的產(chǎn)生的電子-空穴對形成
    在一些重?fù)诫s的PN區(qū),還會攜帶一些間隧穿(BTBT)現(xiàn)象貢獻(xiàn)的泄漏電流。不過源漏二極管和阱二極管的結(jié)反向偏置泄露電流分量,相對于其他三個泄漏分量幾乎可以忽略不計(jì)。
    柵極致漏極泄漏電流
    柵極致漏極泄漏電流一般由MOS管漏極結(jié)中的高場效應(yīng)引起的。由于源極和漏極重疊區(qū)域之間存在大電場而發(fā)生隧穿(包含雪崩隧穿和BTBT隧穿),產(chǎn)生了 電子-空穴對。由于電子被掃入阱中,空穴積累在樓中形成/GIDL。
    柵極與漏極重疊區(qū)域下的強(qiáng)電場,會導(dǎo)致深度耗盡區(qū),以及使漏極和阱交界處耗盡層變薄,因而有效形成漏極到阱的電流/GIDL。/GIDL與VGD有關(guān),一般NMOS的/GIDL會比PMOS的大兩個數(shù)量級。
    柵極直接隧穿電流
    柵極泄漏電流是由柵極上的電荷隧穿過柵氧化層進(jìn)入阱(襯底)中形成。一般柵氧化層厚度在3-4nm,由于在柵氧化物層上施加高電場,電子通過Fowler-Nordheim隧道進(jìn)入氧化物層的導(dǎo)帶而產(chǎn)生的/G。
    隨著晶體管長度和電源電壓的減小,柵極氧化物的厚度也必須減小,以維持對溝道區(qū)域的有效柵極控制。不幸的是,由于電子的直接隧穿會導(dǎo)致柵極泄漏呈指數(shù)級增加。
    目前可以使用高K介電材料(如TiO2和Ta2O5),替代SiO2作為柵極絕緣體介質(zhì)層。
    這種方法可以克服柵極漏電流,并同時對其柵極保持良好的控制。
    亞閾值泄漏電流
    :指溝道處于弱反型狀態(tài)下的源漏電流,是由器件溝道少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流引起的。當(dāng)柵源電壓低于閾值電壓Vth時,器件不會馬上關(guān)閉,而是進(jìn)入了“亞閾值區(qū)”而IDS成了VGS的指數(shù)函數(shù)。
    在目前的CMOS技術(shù)中,亞閾值泄漏電流ISUB會比其他泄漏電流分量大得多。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代CMOS器件中的VT相對較低。
    MOS管泄漏電流
    隧穿柵極氧化層漏電流
    在短溝道器件中,薄柵極氧化物會在 SiO2 層上產(chǎn)生高電場。由于高電場作用,低氧化物厚度會導(dǎo)致電子從襯底隧穿到柵極,同時從柵極通過柵極氧化物,隧穿到襯底,進(jìn)而形成柵極氧化物的隧穿電流。
    MOS管泄漏電流
    (a)是一個平帶 MOS 晶體管,即其中不存在電荷。
    當(dāng)柵極端子正偏置時,能帶圖會發(fā)生變化,如圖(b)。強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)表面處的電子隧道進(jìn)入或穿過 SiO 2層,從而產(chǎn)生柵極電流。
    另一方面,當(dāng)施加負(fù)柵極電壓時,來自 n+ 多晶硅柵極的電子隧道進(jìn)入或穿過 SiO 2層,從而產(chǎn)生柵極電流,如圖 (c) 所示。
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