6 Causas da corrente de vazamento do transistor MOS

A corrente de fuga pode contribuir para a dissipação de energia, especialmente em tensões de limiar mais baixas. Aprenda sobre os seis tipos de corrente de fuga que podem ser encontrados nos transistores MOS.

Ao discutir os transistores MOS, existem basicamente seis tipos de componentes de corrente de fuga em dispositivos de canal curto:

• Corrente de fuga na junção PN de polarização reversa
• Corrente de fuga abaixo do limite
  • Redução da barreira induzida pelo dreno
  • V _o rolar
  • Efeito da temperatura operacional
• Tunelamento em e através da corrente de fuga de óxido de porta
• Corrente de fuga devido à injeção de portador quente do substrato para óxido de porta
• Corrente de fuga devido ao abaixamento do dreno induzido pela comporta (GIDL)

Antes de continuar, certifique-se de estar familiarizado com os conceitos básicos dos transistores MOS que o prepararão para as informações a seguir.

1. Corrente de vazamento de junção pn de polarização reversa

As junções dreno / fonte e substrato em um transistor MOS são polarizadas reversamente durante a operação do transistor. Isso resulta em corrente de fuga com polarização reversa no dispositivo. Esta corrente de fuga pode ser devido ao desvio / difusão de portadores minoritários na região de polarização reversa e geração de par elétron-buraco devido ao efeito de avalanche. A corrente de fuga com polarização reversa da junção pn depende da concentração de dopagem e da área de junção.

Para a junção pn fortemente dopada das regiões de dreno / fonte e substrato, o efeito de tunelamento banda a banda (BTBT) domina a corrente de fuga de polarização reversa. No tunelamento banda a banda, os elétrons tunelizam diretamente da banda de valência da região p para a banda de condução da região n. BTBT é visível para campos elétricos maiores que 10 ⁶ V / cm.

Figura 1. Tunelamento banda a banda na junção pn polarizada reversa de um transistor MOS. Todas as imagens foram utilizadas como cortesia de K.Roy, et al., “Leakage current engines and vazamentos redução de vazamento em circuitos CMOS submicrométricos profundos”; Proc. do IEEE, Vol. 91, No. 2, fevereiro de 2003.

Observe que, no contexto deste artigo, definimos o fenômeno de tunelamento como ocorrendo mesmo quando a energia do elétron é muito menor do que a barreira de potencial.

2. Corrente de Vazamento Sublimiar

Quando a tensão da porta é menor do que a tensão limite (V _th ), mas maior do que zero, o transistor é considerado polarizado no sublimiar ou região de inversão fraca. Na inversão fraca, a concentração de portadores minoritários é pequena, mas não zero. Nesse caso, para valores típicos de | V _DS |> 0,1 V e toda a queda de tensão ocorre na junção pn dreno-substrato.

O componente do campo elétrico entre o dreno e a fonte, paralelo ao Si-SiO ₂ interface, é pequena. Devido a este campo elétrico desprezível, a corrente de deriva é desprezível e a corrente subliminar consiste principalmente em corrente de difusão.

Redução da barreira induzida por drenagem (DIBL)

A corrente de fuga sublimiar é principalmente devida à redução da barreira induzida pelo dreno ou DIBL. Em dispositivos de canal curto, a região de depleção do dreno e da fonte interagem entre si e reduzem a barreira potencial na fonte. A fonte é então capaz de injetar portadores de carga na superfície do canal, resultando em corrente de fuga subliminar.

DIBL é pronunciado em tensões de dreno altas e dispositivos de canal curto.

V _th Roll Off

A tensão limite dos dispositivos MOS reduz devido à redução do comprimento do canal. Este fenômeno é denominado V _th roll-off (ou roll-off de tensão limite). Em dispositivos de canal curtos, o dreno e a região de depleção da fonte entram ainda mais no comprimento do canal, esgotando uma parte do canal.

Devido a isso, uma tensão de porta menor é necessária para inverter o canal, reduzindo a tensão de limite. Este fenômeno é pronunciado para tensões de drenagem mais altas. A redução nas tensões de limiar aumenta a corrente de fuga de sublimiar, pois a corrente de sublimiar é inversamente proporcional à tensão de limiar.

Efeito da temperatura operacional

A temperatura também desempenha um papel na corrente de fuga. A tensão limite diminui com o aumento da temperatura. Ou, em outras palavras, a corrente subliminar aumenta com o aumento da temperatura.

3. Tunelamento para dentro e através da corrente de vazamento de óxido da porta

Em dispositivos de canal curto, um óxido de porta fina resulta em campos elétricos elevados em todo o SiO ₂ camada. A baixa espessura do óxido com campos elétricos elevados resulta em tunelamento de elétrons do substrato para a porta e da porta para o substrato através do óxido de porta, resultando em corrente de tunelamento de óxido de porta.

Considere os diagramas de banda de energia conforme mostrado.

Figura 2. Diagramas de banda de energia de transistores MOS com (a) banda plana, (b) uma tensão de porta positiva e (c) uma tensão de porta negativa

O primeiro diagrama, Figura 2 (a), é de um transistor MOS de banda plana, ou seja, onde não há carga presente nele.

Quando o terminal da porta é polarizado positivamente, o diagrama da banda de energia muda conforme mostrado no segundo diagrama, Figura 2 (b). Os elétrons no túnel de superfície fortemente invertido para dentro ou através do SiO ₂ camada que dá origem à corrente de porta.

Por outro lado, quando uma tensão de porta negativa é aplicada, os elétrons do túnel de porta de polissilício n + para dentro ou através do SiO ₂ camada que dá origem à corrente de porta, conforme mostrado na Figura 2 (c).

Túnel Fowler-Nordheim e Túnel direto

Existem basicamente dois tipos de mecanismos de tunelamento entre a porta e o substrato. Eles são:

• Tunelamento Fowler-Nordheim, onde os elétrons tunelizam através de uma barreira de potencial triangular
• Tunelamento direto, onde os elétrons fazem um túnel através de uma barreira de potencial trapezoidal

Figura 3. Diagramas de banda de energia mostrando (a) Tunelamento de Fowler-Nordheim através da barreira de potencial triangular do óxido e (b) Tunelamento direto através da barreira de potencial trapezoidal do óxido

Você pode ver os diagramas de banda de energia para ambos os mecanismos de tunelamento nas Figuras 3 (a) e 3 (b) acima.

4. Corrente de vazamento devido à injeção de transportador quente do substrato para o óxido da porta

Em dispositivos de canal curto, o alto campo elétrico próximo à interface substrato-óxido energiza os elétrons ou buracos e eles cruzam a interface substrato-óxido para entrar na camada de óxido. Este fenômeno é conhecido como injeção de portador quente.

Figura 4. Diagrama de banda de energia representando elétrons ganhando energia suficiente devido ao alto campo elétrico e cruzando o potencial de barreira de óxido (efeito de injeção de portador quente)

É mais provável que esse fenômeno afete os elétrons do que os buracos. Isso ocorre porque os elétrons têm uma massa efetiva menor e uma altura de barreira menor em comparação com os buracos.

5. Corrente de vazamento devido ao abaixamento do dreno induzido pela porta (GIDL)

Considere um transistor NMOS com um substrato do tipo p. Quando há uma tensão negativa no terminal da porta, as cargas positivas se acumulam apenas na interface óxido-substrato. Devido aos furos acumulados no substrato, a superfície se comporta como uma região p mais dopada do que o substrato.

Isso resulta em uma região de depleção mais fina na superfície ao longo da interface dreno-substrato (quando comparada à espessura da região de depleção na massa).

Figura 5. (a) Formação de região de depleção fina na interface dreno-substrato ao longo da superfície e (b) fluxo de corrente GIDL devido a portadores gerados por efeito avalanche e BTBT

Devido a uma região de depleção fina e campos elétricos mais elevados, ocorre o efeito de avalanche e o tunelamento banda-a-banda (conforme discutido na primeira seção deste artigo). Assim, portadoras minoritárias na região de drenagem sob a porta são geradas e empurradas para o substrato pela tensão negativa da porta. Isso aumenta a corrente de fuga.

6. Corrente de vazamento devido ao efeito Punch-Through

Em dispositivos de canal curto, devido à proximidade dos terminais de dreno e fonte, a região de depleção de ambos os terminais se juntam e, eventualmente, se fundem. Em tal condição, diz-se que ocorreu o "punch-through".

O efeito punch-through reduz a barreira potencial da fonte para a maioria dos portadores. Isso aumenta o número de portadores que entram no substrato. Alguns desses portadores são coletados pelo dreno e o restante contribui para a corrente de fuga.



Agora você deve estar familiarizado com os seis tipos de corrente de fuga associados aos transistores MOS. Se você tiver perguntas adicionais sobre esses conceitos, deixe um comentário abaixo.