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  • 五種MOS管泄漏電流與產生原因介紹
    • 發布時間:2024-12-20 18:47:07
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    五種MOS管泄漏電流與產生原因介紹
    本文介紹了五種MOS管在實際應用中存在的漏電流:反偏結泄漏電流、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備電池的壽命和s&h電路信號保持時間。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層。同時,亞閾值泄漏電流在CMOS技術中較大,可以通過降低閾值電壓來減小其影響。
    你不知道的五種MOS管泄漏電流以及產生原因
    在實際應用中,MOS管常常存在各種漏電流,這使得它嚴重減少了低功耗設備電池的使用壽命,以及在一些s&h電路中,限制了信號保持時間。而一個理想的MOS管是不應該存在任何電流流入襯底的,特別是當MOS管關斷時,漏-源極之間不應該存在任何電流。
    那么,今天我們來了解MOS管以下5種漏電流。
    反偏結泄漏電流
    :當MOS管關斷時,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. 由耗盡區邊緣的擴散和漂移電流產生
    2. 由耗盡區中的產生的電子-空穴對形成
    在一些重摻雜的PN區,還會攜帶一些間隧穿(BTBT)現象貢獻的泄漏電流。不過源漏二極管和阱二極管的結反向偏置泄露電流分量,相對于其他三個泄漏分量幾乎可以忽略不計。
    柵極致漏極泄漏電流
    柵極致漏極泄漏電流一般由MOS管漏極結中的高場效應引起的。由于源極和漏極重疊區域之間存在大電場而發生隧穿(包含雪崩隧穿和BTBT隧穿),產生了 電子-空穴對。由于電子被掃入阱中,空穴積累在樓中形成/GIDL。
    柵極與漏極重疊區域下的強電場,會導致深度耗盡區,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,一般NMOS的/GIDL會比PMOS的大兩個數量級。
    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隧道進入氧化物層的導帶而產生的/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,以維持對溝道區域的有效柵極控制。不幸的是,由于電子的直接隧穿會導致柵極泄漏呈指數級增加。
    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層。
    這種方法可以克服柵極漏電流,并同時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下的源漏電流,是由器件溝道少數載流子的擴散電流引起的。當柵源電壓低于閾值電壓Vth時,器件不會馬上關閉,而是進入了“亞閾值區”而IDS成了VGS的指數函數。
    在目前的CMOS技術中,亞閾值泄漏電流ISUB會比其他泄漏電流分量大得多。這主要是因為現代CMOS器件中的VT相對較低。
    MOS管泄漏電流
    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 層上產生高電場。由于高電場作用,低氧化物厚度會導致電子從襯底隧穿到柵極,同時從柵極通過柵極氧化物,隧穿到襯底,進而形成柵極氧化物的隧穿電流。
    MOS管泄漏電流
    (a)是一個平帶 MOS 晶體管,即其中不存在電荷。
    當柵極端子正偏置時,能帶圖會發生變化,如圖(b)。強烈反轉表面處的電子隧道進入或穿過 SiO 2層,從而產生柵極電流。
    另一方面,當施加負柵極電壓時,來自 n+ 多晶硅柵極的電子隧道進入或穿過 SiO 2層,從而產生柵極電流,如圖 (c) 所示。
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