MOS管泄漏电流,各种漏电流及减小泄露方法介绍

MOS管泄漏电流,各种漏电流及减小泄露方法介绍

MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是现代电子设备中不可或缺的元件，广泛应用于各种集成电路中。然而，在实际应用中，MOS管不可避免地存在各种泄漏电流，这些泄漏电流不仅会降低低功耗设备的电池使用寿命，还可能限制信号保持时间。本文将详细介绍MOS管的各种泄漏电流类型及其减小方法。

反偏结泄漏电流（Junction Leakage）

理想的MOS晶体管在关闭时不应该有任何电流流入衬底或阱中，DS之间也不应该存在任何电流。然而，在现实中，MOS管存在各种不同的漏电流。其中，反偏结泄漏电流是当晶体管关断时，通过反偏二极管从源极或漏极到衬底或阱到衬底的电流。这种反偏结泄露电流主要由两部分组成：

1. 由耗尽区边缘的扩散和漂移电流产生；
2. 由耗尽区中产生的电子-空穴对形成；

对于重掺杂的PN区，还会有带间隧穿（BTBT）现象贡献的泄漏电流。源漏二极管和阱二极管的结反向偏置泄漏电流分量相对于其他三个泄漏分量通常可以忽略不计。

栅致漏极泄露电流（Gate Induced Drain Leakage, GIDL）

栅致漏极泄露电流是由MOS晶体管漏极结中的高场效应引起的。由于G与D重叠区域之间存在大电场而发生隧穿并产生电子-空穴对，其中包含雪崩隧穿和BTBT隧穿。由于电子被扫入阱中，空穴积累在漏中形成/GIDL。栅漏重叠区域下的强电场导致了深度耗尽区以及是的漏极和阱交界处耗尽层变薄，因而有效形成漏极到阱的电流/GIDL。/GIDL与VDG有关。/GIDL在NMOS中比在PMOS中还要大两个数量级。

栅极直接隧穿电流（Gate Direct Tunneling Leakage）

栅极泄露电流是有栅极上的电荷隧穿过栅氧化层进入阱（衬底）中形成。一般栅氧化层厚度为3-4 nm，由于在氧化物层上施加高电场，电子通过Fowler-Nordheim隧道进入氧化物层的导带而产生的/G。随着晶体管长度和电源电压的减小，栅极氧化物的厚度也必须减小以维持对沟道区域的有效栅极控制。不幸的是，由于电子的直接隧穿会导致栅极泄漏呈指数级增加。

目前，有种方法能在克服栅极漏电流的同时保持对栅极进行良好的控制，就是采用诸如TiO2和Ta2O5的高K介电材料替代SiO2做栅极绝缘体介质层。

亚阈值泄露电流（Subthreshold Leakage）

亚阈值泄漏电流是指沟道处于弱反型状态下的源漏电流，是由器件沟道中少数载流子的扩散电流引起的。当栅源电压低于Vth时，器件不是马上关闭的，晶体管事实上是进入了“亚阈值区”，在这种情况下，IDS成了VGS的指数函数。

在目前的CMOS技术中，亚阈值泄漏电流ISUB比其他泄漏电流分量大得多。这主要是因为现代CMOS器件中的VT相对较低。ISUB通过使用以下公式计算：

所以MOS管的静态功耗电流IOFF主要来源：

其中占主要部分的是/SUB。

隧穿栅极氧化层漏电流

在短沟道器件中，薄栅极氧化物会在 SiO 2层上产生高电场。具有高电场的低氧化物厚度导致电子从衬底隧穿到栅极以及从栅极通过栅极氧化物隧穿到衬底，从而导致栅极氧化物隧穿电流。

考虑如图所示的能带图。

图. 具有(a)平带、(b)正栅极电压和(c)负栅极电压的 MOS 晶体管的能带图

图 2(a)，是一个平带 MOS 晶体管，即其中不存在电荷。

当栅极端子正偏置时，能带图会发生变化，如图所示，图 2(b)。强烈反转表面处的电子隧道进入或穿过 SiO 2层，从而产生栅极电流。

另一方面，当施加负栅极电压时，来自 n+ 多晶硅栅极的电子隧道进入或穿过 SiO 2层，从而产生栅极电流，如图 2(c) 所示。

本文原文来自elecfans.com