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MOS晶体管漏电流的6个原因
在讨论MOS晶体管时，短沟道器件中基本上有六种类型的泄漏电流分量：
反向偏置-pn结泄漏电流
亚阈值泄漏电流
排水引起的势垒降低
V个滚降
工作温度的影响
穿入和穿过栅极氧化物泄漏电流
由于热载流子从基板注入栅极氧化物而引起的漏电流
栅极引起的漏极降低（GIDL）导致的漏电流
1.反向偏置pn结漏电流
在晶体管工作期间，MOS晶体管中的漏极/源极和衬底结被反向偏置。这导致器件中的反向偏置泄漏电流。该泄漏电流可能是由于反向偏置区域中少数载流子的漂移/扩散以及由于雪崩效应而产生电子-空穴对所致。pn结反向偏置的泄漏电流取决于掺杂浓度和结面积。
对于漏极/源极和衬底区域的重掺杂pn结，带间隧穿（BTBT）效应主导着反向偏置泄漏电流。在带间隧穿中，电子直接从p区的价带隧穿到n区的导带。BTBT对于大于10 6 V / cm的电场可见。
图1. MOS晶体管反向偏置pn结中的带间隧穿。
请注意，在本文的上下文中，我们将隧穿现象定义为即使电子能量远小于势垒也要发生的现象。
2.亚阈值泄漏电流
当栅极电压小于阈值电压（V th）但大于零时，则认为该晶体管在亚阈值或弱反转区域中被偏置。在弱反演中，少数载流子的浓度很小，但不为零。在这种情况下，对于| V DS |的典型值| > 0.1V，整个电压降发生在漏极-衬底pn结两端。
与Si-SiO 2界面平行的漏极和源极之间的电场分量很小。由于该可忽略的电场，漂移电流可忽略不计，并且次阈值电流主要由扩散电流组成。
排水诱导屏障降低（DIBL）
亚阈值泄漏电流主要是由于漏极引起的势垒降低或DIBL引起的。在短沟道器件中，漏极和源极的耗尽区彼此相互作用，并减小了源极处的势垒。然后，该源能够将电荷载流子注入沟道的表面，从而导致亚阈值泄漏电流。
DIBL在高漏极电压和短沟道器件中很明显。
V个辗轧
MOS器件的阈值电压由于沟道长度的减小而减小。这种现象称为V th 下降（或阈值电压下降）。在短沟道器件中，漏极和源极耗尽区进一步进入沟道长度，从而耗尽了一部分沟道。
因此，需要较小的栅极电压来反转沟道，从而降低了阈值电压。对于较高的漏极电压，这种现象尤为明显。阈值电压的减小增加了亚阈值泄漏电流，因为亚阈值电流与阈值电压成反比。
工作温度的影响
温度也是泄漏电流的一部分。阈值电压随温度升高而降低。或者，换句话说，亚阈值电流随温度升高而增加。
3.穿入和穿过栅极氧化物泄漏电流
在短沟道器件中，薄的栅极氧化物会在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到栅极以及从栅极到栅极通过栅极氧化物隧穿，从而产生栅极氧化物隧穿电流。
考虑如下所示的能带图。
图2.具有（a）平坦带，（b）正栅极电压和（c）负栅极电压的MOS晶体管的能带图
第一个图（图2（a））是一个平带MOS晶体管，即其中不存在电荷。
当栅极端子为正偏置时，能带图会发生变化，如图2（b）所示。在强烈反转的表面上的电子隧穿进入或穿过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穿进入或穿过SiO 2层，从而产生栅极电流，如图2（c）所示。
Fowler-Nordheim隧道和直接隧道
栅极和衬底之间主要有两种隧穿机制。他们是：
Fowler-Nordheim隧穿，其中电子隧穿穿过三角势垒
直接隧穿，其中电子通过梯形势垒隧穿
图3. 能带图显示（a）通过氧化物的三角势垒的Fowler-Nordheim隧穿和 （b）通过氧化物的梯形势垒的直接隧穿
您可以在上面的图3（a）和3（b）中看到两种隧穿机制的能带图。
4.由于热载流子从基片注入栅极氧化物而引起的漏电流
在短沟道器件中，衬底-氧化物界面附近的高电场使电子或空穴通电，并且电子或空穴穿过衬底-氧化物界面进入氧化物层。这种现象称为热载流子注入。
图4. 能带图描绘了电子由于高电场而获得了足够的能量并越过了氧化物势垒势（热载流子注入效应）
这种现象比空穴更可能影响电子。这是因为电子与空穴相比具有较小的有效质量和较小的势垒高度。
5.由于栅极感应的漏极降低（GIDL）而引起的漏电流
考虑具有p型衬底的NMOS晶体管。当栅极端子处存在负电压时，正电荷仅在氧化物-衬底界面处积累。由于在衬底上积累的空穴，该表面表现为比衬底更重掺杂的p区域。
这导致沿着漏极-衬底界面的表面处的耗尽区更薄（与本体中的耗尽区的厚度相比）。
图5. （a） 沿表面在漏极-衬底界面处形成薄耗尽区，以及 （b）由于雪崩效应和BTBT产生的载流子，GIDL电流流动
由于耗尽区较薄且电场较高，因此会发生雪崩效应和带间隧穿（如本文第一部分所述）。因此，在栅极下方的漏极区域中产生少数载流子，并通过负栅极电压将其推入衬底。这增加了泄漏电流。
6.穿通效应引起的漏电流
在短通道器件中，由于漏极和源极端子的接近，两个端子的耗尽区汇聚在一起并最终合并。在这种情况下，据说发生了“穿通”。
穿通效应降低了源头上大多数载流子的势垒。这增加了进入衬底的载流子的数量。这些载流子中的一些被漏极收集，其余的则有助于泄漏电流。