你不知道的五種MOS管泄漏電流以及產(chǎn)生原因

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(shí)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(shí)，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(shí)間。而一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)，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。

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(shí)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。

(a)是一個(gè)平帶 MOS 晶體管，即其中不存在電荷。

當(dāng)柵極端子正偏置時(shí)，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(shí)，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，如最后圖所示。