Decodificando Correntes de Vazamento em Transistores MOS de Canal Curto: Insights-Chave para Design de Baixo Consumo

Este artigo cobre os fundamentos de transistores MOS com vistas a melhor entendimento da corrente de vazamento que pode ocorrer em tais transistores.

Transistores MOS estão sendo escalados para maximizar densidade de empacotamento dentro de 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 limiar mais baixas, a corrente de vazamento se torna significativa e contribui para dissipação de potência. É por isso que é vital conhecermos os vários tipos de correntes de vazamento em um transistor MOS.

Antes de tentarmos entender os vários componentes de corrente de vazamento, vamos primeiro revisitar conceitos centrais 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 (daí, MOS).

Considere um transistor NMOS com substrato tipo-p e poços de difusão n+ como terminais de dreno e fonte. A camada de óxido é feita de SiO₂ e é crescida sobre o canal entre dreno e fonte. O terminal de porta é feito de polissilício dopado n+ ou alumínio.

Figura 1. 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 não polarizada, as junções pn na interface dreno/fonte e substrato são reversamente polarizadas. O diagrama de banda de energia do transistor é como mostrado na Figura 2.

Figura 2. Diagrama de banda de energia de um transistor NMOS não polarizado

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 do 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 através do óxido e o resto através da interface Si-SiO₂). A função de trabalho é a quantidade de energia necessária para elétrons escaparem do nível de Fermi para o espaço livre. Você pode entender mais sobre diagrama de banda do transistor MOS e curvatura de banda neste vídeo de Jordan Edmunds.

Acumulação

Suponha que a porta tenha tensão negativa e a fonte onde o dreno e o substrato estão aterrados. Devido à tensão negativa, os buracos no substrato (portadores majoritários) são atraídos para a superfície. Este fenômeno é chamado acumulação. Os portadores minoritários no substrato (elétrons) são empurrados para profundezas dele. O diagrama de banda de energia correspondente é dado abaixo.

Figura 3. Diagrama de banda de energia de um transistor NMOS com tensão negativa no terminal de porta

Como a direção do campo elétrico é do semicondutor para óxido para metal, as bandas de energia curvam na direção oposta. Note também os deslocamentos nos níveis de Fermi.

Depleção e Regiões de Depleção

Alternativamente, considere a tensão de porta sendo ligeiramente maior que zero. Os buracos são repelidos de volta para o substrato e o canal é depletado de quaisquer portadores de carga móveis. Este fenômeno é chamado depleção e uma região de depleção mais larga que na condição não polarizada é criada.

Figura 4. Região de depleção em um NMOS

Figura 5. Diagrama de banda de energia correspondente para a região de depleção do NMOS mostrada na Figura 4

Como o campo elétrico é do metal para óxido para semicondutor, as bandas de energia curvam na direção descendente.

Inversão de Superfície

Se a tensão positiva na porta for aumentada ainda mais, os portadores minoritários no substrato (elétrons) são atraídos para a superfície do canal. Este fenômeno é chamado inversão de superfície e a tensão de porta na qual a superfície acaba de inverter é conhecida como tensão de limiar (V_th).

Figura 6. Inversão de superfície em transistor NMOS

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

Os elétrons criam um canal de condução entre fonte e dreno. Se a tensão de dreno for então aumentada a partir de potencial zero, uma corrente de dreno (I_d) começa a fluir entre fonte e dreno. As bandas de energia curvam ainda mais para baixo e na interface semicondutor-óxido.

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

No próximo artigo, delinearemos seis tipos de corrente de vazamento encontrados em transistores MOS.