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了解短溝道MOS晶體管中的泄漏電流成分
MOS晶體管正在按比例縮小以最大化其在集成電路內(nèi)部的封裝密度。這導(dǎo)致了氧化物厚度的減小，進而減小了MOS器件的閾值電壓。在較低的閾值電壓下，泄漏電流會變得很大，并會導(dǎo)致功耗。這就是為什么至關(guān)重要的是，我們知道MOS晶體管中的各種泄漏電流。
在嘗試了解各種泄漏電流成分之前，讓我們首先回顧一下MOS晶體管核心概念。這將有助于我們更好地了解該主題。
MOS晶體管結(jié)構(gòu)
MOS晶體管結(jié)構(gòu)由金屬，氧化物和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（因此稱為MOS）組成。
考慮一個具有p襯底和n +擴散阱作為漏極和源極端子的NMOS晶體管。氧化層由SiO 2制成，并在漏極和源極之間的溝道上生長。柵極端子由n +摻雜的多晶硅或鋁制成。
圖1. NMOS晶體管的鳥瞰圖。
在無偏狀態(tài)下，漏極/源極和襯底界面的pn結(jié)被反向偏置。晶體管的能帶圖如圖2所示。
圖2. 無偏置NMOS晶體管的能帶圖
如您所見，金屬，氧化物和半導(dǎo)體的費米能級相互對齊。由于在氧化物-半導(dǎo)體界面處的電壓降，Si能帶存在彎曲。內(nèi)置電場的方向是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體，電壓降的方向與電場的方向相反。
由于金屬和半導(dǎo)體之間的功函差而發(fā)生該電壓降（部分電壓降發(fā)生在氧化物兩端，其余部分發(fā)生在Si-SiO 2界面兩端）。功函數(shù)是電子從費米能級逃逸到自由空間所需的能量。
積累
接下來，假設(shè)柵極具有負(fù)電壓，源極的漏極和基板接地。由于負(fù)電壓，襯底（多數(shù)載流子）中的孔被吸引到表面。這種現(xiàn)象稱為積累。襯底（電子）中的少數(shù)載流子被深推回去。下面給出了相應(yīng)的能帶圖。
圖3.柵極端帶有負(fù)電壓的NMOS晶體管的能帶圖
由于電場的方向是從半導(dǎo)體到氧化物再到金屬，所以能帶在相反的方向上彎曲。另外，請注意費米水平的變化。
耗盡區(qū)和耗盡區(qū)
或者，認(rèn)為柵極電壓剛好大于零。孔被排斥回到襯底中，并且通道中的所有移動電荷載體都被耗盡。將該現(xiàn)象稱為耗盡，并且形成比未偏置狀態(tài)更寬的耗盡區(qū)域。
圖4. NMOS中的耗盡區(qū)
圖5. 圖4所示的NMOS耗盡區(qū)的對應(yīng)能帶圖
因為電場是從金屬到氧化物再到半導(dǎo)體，所以能帶在向下方向彎曲。
表面反轉(zhuǎn)
如果柵極處的正電壓進一步增加，則襯底中的少數(shù)載流子（電子）被吸引到溝道的表面。這種現(xiàn)象稱為表面反轉(zhuǎn)，而表面剛反轉(zhuǎn)時的柵極電壓稱為閾值電壓（V th）。
圖6. NMOS晶體管中的表面反轉(zhuǎn)
圖7.圖6所示的NMOS晶體管的對應(yīng)能帶圖
電子在源極和漏極之間建立傳導(dǎo)通道。然后，如果漏極電壓從零電勢增加，則漏極電流（Id）開始在源極和漏極之間流動。能帶進一步向下彎曲并在半導(dǎo)體-氧化物界面處彎曲。
在此，固有費米能級小于p型襯底的費米能級。這支持了在表面上半導(dǎo)體為n型的觀點（在n型材料的能帶圖中，本征費米能級的能量水平小于施主能級的能量水平）。