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MOS管泄漏電流的原因
功耗是由漏電流引起的，尤其是在較低閾值電壓下。了解MOS晶體管漏電流的六種不同原因。

1.反向偏置-PN結(jié)處的泄漏電流
2.漏電流低于閾值
3.由于排水造成的障礙物減少
4.第V次滾降
5.工作環(huán)境溫度的影響
6.漏電流隧穿進入并穿過柵極氧化物
7.由于熱載流子注入從襯底到柵極氧化物層的電流泄漏
8.由于柵極（GIDL）產(chǎn)生的漏極減少而導(dǎo)致的電流泄漏
在繼續(xù)之前，請確保您理解MOS晶體管的基本概念，因為這將有助于您理解以下內(nèi)容。

1.反向偏置pn結(jié)泄漏電流
在晶體管操作期間，MOS晶體管的漏極/源極和襯底結(jié)被反向偏置。因此，器件的漏電流被反向偏置。這種漏電流可能是由反向偏置區(qū)域中的少數(shù)載流子漂移/擴散以及雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的電子-空穴對引起的。pn結(jié)處的反向偏置漏電流由摻雜濃度和結(jié)面積決定。
在漏極/源極和襯底區(qū)域中的強摻雜pn結(jié)中，帶對帶隧穿（BTBT）效應(yīng)主導(dǎo)反向偏置漏電流。電子在帶間隧穿中從p價區(qū)的帶直接隧穿到n導(dǎo)通區(qū)的帶。對于大于10 6 V/cm的電場，BTBT是明顯的。

圖1。MOS晶體管反向偏置PN結(jié)中的帶間隧道
值得注意的是，在這項研究的背景下，我們將隧穿定義為即使電子的能量遠低于勢壘也會發(fā)生。


2.亞閾值泄漏電流
當(dāng)柵極電壓小于閾值（Vth）但大于零時，晶體管被認為在亞閾值或弱反轉(zhuǎn)區(qū)中被偏置。在弱反轉(zhuǎn)中，少數(shù)載流子的濃度很小，但不是零。在|VDS|典型值＞0.1V的情況下，整個電壓降發(fā)生在漏極-襯底pn結(jié)處。
平行于漏極和源極之間的Si-SiO接觸的電場分量是最小的。由于電場較小，漂移電流較低，亞閾值電流主要是擴散電流
排水誘導(dǎo)屏障降低（DIBL）
漏極引起的勢壘降低（DIBL）是亞閾值漏電流的主要原因。漏極和源極的耗盡區(qū)在短溝道器件中相互作用以降低源極勢壘。亞閾值泄漏電流源自于將電荷載流子注入溝道表面的源極。
DIBL在高漏極電壓和短溝道器件中是明顯的。
第五次滾降
MOS器件的閾值電壓隨著溝道長度的減小而下降。V th滾降是對這種現(xiàn)象（或閾值電壓滾降）的命名。短溝道器件中的漏極和源極耗盡區(qū)進一步延伸到溝道長度中，耗盡溝道的一部分。
因此，反轉(zhuǎn)溝道需要較低的柵極電壓，從而降低閾值電壓。這種效應(yīng)在較高的漏極電壓下更為明顯。因為亞閾值電流與閾值電壓成反比，所以降低閾值電壓會增加亞閾值泄漏電流。
工作溫度的影響
泄漏電流也受到溫度的影響。閾值電壓隨著溫度的升高而下降。換句話說，隨著溫度的升高，亞閾值電流也會升高。

3.隧穿柵極氧化物泄漏電流
薄柵極氧化物在短溝道器件中的SiO層上提供大的電場。當(dāng)氧化物厚度較低且電場較高時，電子從襯底隧穿到柵極，并從柵極穿過柵極氧化物隧穿到襯底，從而產(chǎn)生柵極-氧化物隧穿電流。
請考慮圖中所示的頻帶圖。


圖2:具有（a）平坦帶、（b）正柵極電壓和（c）負柵極電壓的MOS晶體管的能帶圖
第一個圖，圖2（a），是一個平帶MOS晶體管。即其中不存在電荷。
當(dāng)柵極端子正向偏置時，能帶圖發(fā)生變化，如圖2第二張圖所示。（b） 。當(dāng)強反轉(zhuǎn)表面處的電子隧穿進入或穿過SiO層時，產(chǎn)生柵極電流。
另一方面，負柵極電壓導(dǎo)致來自n+多晶硅柵極的電子隧穿進入或穿過SiO2層，產(chǎn)生柵極電流，如圖所示。2。（c） 。

Fowler-Nordheim隧道和直達隧道
在柵極和襯底之間主要存在兩種隧道機制。他們是：
Fowler-Nordheim隧穿，其中電子穿過三角形勢壘
直接隧穿，即電子通過階梯勢壘隧穿




圖3。帶圖顯示（a）Fowler-Nordheim隧道通過氧化物的三角形勢壘和（b）直接隧道穿過氧化物的階梯勢壘
您可以在上面的圖3（a）和圖3（b）中看到兩種隧道機制的能帶圖。


4.由于從襯底到柵極氧化物的熱載流子注入而導(dǎo)致的漏電流
襯底-氧化物界面附近的高電場激發(fā)電子或空穴，這些電子或空穴穿過襯底-氧化物接口并進入短溝道器件中的氧化物層。熱載流子注入就是這種現(xiàn)象的術(shù)語。
圖4。描述電子由于高電場而獲得足夠能量以穿過氧化物勢壘的能帶圖（熱載流子注入效應(yīng)）

電子比空穴更容易受到這種現(xiàn)象的影響。這是由于電子比空穴具有更低的有效質(zhì)量和更低的勢壘高度。


5.柵極感應(yīng)漏極壓降（GIDL）引起的漏電流
以具有p型襯底的NMOS晶體管為例。當(dāng)柵極端子處存在負電壓時，正電荷僅在氧化物襯底界面處建立。由于空穴積聚在襯底上，表面表現(xiàn)為比襯底更強的摻雜p區(qū)。
結(jié)果，沿著漏極-襯底接觸的耗盡區(qū)在表面附近更?。ㄅc本體中的耗盡區(qū)的厚度相比）。

圖5。（a） 在漏極-襯底界面處沿表面形成薄耗盡區(qū)和（b）由于雪崩效應(yīng)和BTBT產(chǎn)生的載流子引起的GIDL電流
雪崩和帶間隧道效應(yīng)（如本研究第一部分所述）是由于薄的耗盡區(qū)和較大的電場而發(fā)生的。結(jié)果，在柵極下方的漏極區(qū)域中產(chǎn)生少數(shù)載流子，并且負柵極電壓將它們推入襯底。泄漏電流因此而上升。

6.穿孔效應(yīng)引起的泄漏電流
因為在短溝道器件中，漏極和源極靠近在一起，所以兩個端子的耗盡區(qū)會聚并最終重疊。據(jù)說在這種情況下發(fā)生了“滲透”。
對于大多數(shù)來自源的載流子，穿透效應(yīng)降低了勢壘。因此，進入襯底的載流子的數(shù)量增加。漏極收集其中一些載流子，而其余載流子產(chǎn)生漏電流。