Compreendendo os componentes de corrente de vazamento em transistores MOS de canal curto

Este artigo cobre os conceitos básicos dos transistores MOS com o objetivo de compreender melhor a corrente de fuga que pode ocorrer nesses transistores.

Os transistores MOS estão sendo reduzidos para maximizar a densidade do pacote dentro dos circuitos integrados. Isso levou à redução da espessura do óxido que, por sua vez, reduziu a tensão de limiar dos dispositivos MOS. Em tensões de limite mais baixas, a corrente de fuga torna-se significativa e contribui para a dissipação de energia. É por isso que é vital conhecermos os vários tipos de correntes de fuga em um transistor MOS.

Antes de tentarmos entender os vários componentes da corrente de fuga, vamos primeiro revisitar os conceitos básicos do transistor MOS. Isso nos ajudará a obter melhores insights sobre o tópico.

A estrutura do transistor MOS revisitada

A estrutura do transistor MOS consiste em um metal, um óxido e uma estrutura semicondutora (portanto, MOS).

Considere um transistor NMOS com substrato p e poços de difusão n + como terminais de dreno e fonte. A camada de óxido é feita de SiO ₂ e é cultivado ao longo do canal entre o dreno e a fonte. O terminal da porta é feito de polissilício n + dopado ou alumínio.

Figura 1. A visão aérea de um transistor NMOS. Todas as imagens de S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, ch.3, pp:83-93

Em condição imparcial, as junções pn no dreno / fonte e na interface do substrato são polarizadas reversamente. O diagrama da banda de energia do transistor é mostrado na Figura 2.

Figura 2. O diagrama de banda de energia de um transistor NMOS imparcial

Como você pode ver, os níveis de Fermi do metal, óxido e semicondutor se alinham. Há uma curvatura nas bandas de energia do Si devido à queda de tensão na interface óxido-semicondutor. A direção do campo elétrico embutido é de metal para óxido para semicondutor e a direção da queda de tensão é oposta à direção do campo elétrico.

Esta queda de tensão ocorre devido à diferença de função de trabalho entre metal e semicondutor (parte da queda de tensão ocorre no óxido e o resto no Si-SiO ₂ interface). A função de trabalho é a quantidade de energia necessária para que os elétrons escapem do nível de Fermi para o espaço livre. Você pode entender mais sobre o diagrama de banda do transistor MOS e a curvatura da banda neste vídeo de Jordan Edmunds.

Acumulação

Em seguida, suponha que a porta tenha tensão negativa e a fonte onde o dreno e o substrato são aterrados. Devido à tensão negativa, os orifícios no substrato (portadores majoritários) são atraídos para a superfície. Este fenômeno é chamado de acumulação. Os portadores minoritários no substrato (elétrons) são empurrados para dentro dele. O diagrama da banda de energia correspondente é fornecido abaixo.

Figura 3. O diagrama da banda de energia de um transistor NMOS com tensão negativa no terminal da porta

Como a direção do campo elétrico vai do semicondutor ao óxido ao metal, as bandas de energia se dobram na direção oposta. Além disso, observe as mudanças nos níveis de Fermi.

Regiões de esgotamento e esgotamento

Alternativamente, considere a tensão da porta apenas maior que zero. Os furos são repelidos de volta para o substrato e o canal fica sem qualquer portador de carga móvel. Este fenômeno é chamado de depleção e uma região de depleção mais ampla do que na condição imparcial é criada.

Figura 4. A região de depleção em um NMOS

Figura 5. O diagrama da banda de energia correspondente para a região de depleção NMOS mostrado na Figura 4

Como o campo elétrico vai do metal ao óxido e ao semicondutor, as faixas de energia se dobram na direção descendente.

Inversão de superfície

Se a voltagem positiva na porta aumentar ainda mais, os portadores minoritários no substrato (elétrons) são atraídos para a superfície do canal. Este fenômeno é chamado de inversão de superfície e a tensão de porta na qual a superfície apenas se inverte é conhecida como tensão de limiar (V _th )

Figura 6. Inversão de superfície no transistor NMOS

Figura 7. O diagrama de banda de energia correspondente para o transistor NMOS mostrado na Figura 6

Os elétrons criam um canal de condução entre a fonte e o dreno. Se a tensão de dreno é então aumentada do potencial zero, uma corrente de dreno (I _d ) começa a fluir entre a fonte e o dreno. As bandas de energia se dobram ainda mais para baixo e na interface semicondutor-óxido.

Aqui, o nível de Fermi intrínseco é menor do que o nível de Fermi de um substrato do tipo p. Isso apóia o ponto de que, na superfície, o semicondutor é do tipo n (nos diagramas de banda de energia de um material do tipo n, o nível de Fermi intrínseco está em um nível de energia menor do que o nível de energia do doador).



No próximo artigo, vamos delinear seis tipos de corrente de fuga encontrados em transistores MOS.