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6 causes du courant de fuite du transistor MOS

Le courant de fuite peut contribuer à la dissipation de puissance, en particulier à des tensions de seuil inférieures. Découvrez six types de courants de fuite que l'on peut trouver dans les transistors MOS.

Lors de l'examen des transistors MOS, il existe essentiellement six types de composants de courant de fuite dans les dispositifs à canal court :

Avant de continuer, assurez-vous d'être familiarisé avec les concepts de base des transistors MOS qui vous prépareront aux informations suivantes.

1. Courant de fuite de jonction pn à polarisation inversée

Les jonctions drain/source et substrat dans un transistor MOS sont polarisées en inverse pendant le fonctionnement du transistor. Il en résulte un courant de fuite polarisé en inverse dans le dispositif. Ce courant de fuite peut être dû à la dérive/diffusion des porteurs minoritaires dans la région polarisée en inverse et à la génération de paires électron-trou en raison de l'effet d'avalanche. Le courant de fuite polarisé en inverse de la jonction pn dépend de la concentration de dopage et de la zone de jonction.

Pour les jonctions pn fortement dopées des régions drain/source et substrat, l'effet tunnel de bande à bande (BTBT) domine le courant de fuite de polarisation inverse. Dans l'effet tunnel de bande à bande, les électrons passent directement de la bande de valence de la région p à la bande de conduction de la région n. BTBT est visible pour les champs électriques supérieurs à 10 6 V/cm.

Figure 1. Tunnellisation bande à bande dans la jonction pn polarisée en inverse d'un transistor MOS. Toutes les images utilisées avec l'aimable autorisation de K.Roy, et al., « Mécanismes de courant de fuite et techniques de réduction des fuites dans les circuits CMOS submicrométriques profonds » ; Proc. de l'IEEE, Vol. 91, n° 2, février 2003.

Notez que, dans le contexte de cet article, nous définissons les phénomènes d'effet tunnel comme ayant lieu même lorsque l'énergie de l'électron est bien inférieure à la barrière de potentiel.

2. Courant de fuite sous le seuil

Lorsque la tension de grille est inférieure à la tension de seuil (Vth ) mais supérieur à zéro, le transistor est dit polarisé dans la zone de sous-seuil ou d'inversion faible. En inversion faible, la concentration de porteurs minoritaires est faible mais non nulle. Dans un tel cas, pour les valeurs typiques de |VDS |> 0,1 V et toute la chute de tension a lieu à travers la jonction drain-substrat pn.

La composante du champ électrique entre le drain et la source, parallèle au Si-SiO2 interface, est petit. En raison de ce champ électrique négligeable, le courant de dérive est négligeable et le courant sous-seuil consiste principalement en un courant de diffusion.

Abaissement de la barrière induit par le drainage (DIBL)

Le courant de fuite inférieur au seuil est principalement dû à l'abaissement de la barrière induite par le drain ou DIBL. Dans les dispositifs à canaux courts, la région d'épuisement du drain et de la source interagit et réduit la barrière potentielle à la source. La source est alors capable d'injecter des porteurs de charge dans la surface du canal, ce qui entraîne un courant de fuite inférieur au seuil.

DIBL est prononcé dans les tensions de drain élevées et les dispositifs à canal court.

Vème Décollage

La tension de seuil des dispositifs MOS diminue en raison de la réduction de la longueur du canal. Ce phénomène est appelé Vth roll-off (ou abaissement de la tension de seuil). Dans les appareils à canal court, la région d'épuisement du drain et de la source pénètre plus loin dans la longueur du canal, épuisant une partie du canal.

Pour cette raison, une tension de grille inférieure est nécessaire pour inverser le canal en réduisant la tension de seuil. Ce phénomène est prononcé pour des tensions de drain plus élevées. La réduction des tensions de seuil augmente le courant de fuite sous le seuil car le courant sous le seuil est inversement proportionnel à la tension de seuil.

Effet de la température de fonctionnement

La température joue également un rôle dans le courant de fuite. La tension de seuil diminue avec l'augmentation de la température. Ou, en d'autres termes, le courant inférieur au seuil augmente avec l'augmentation de la température.

3. Tunneling dans et à travers le courant de fuite d'oxyde de porte

Dans les dispositifs à canal court, un oxyde de grille mince entraîne des champs électriques élevés à travers le SiO2 couche. Une faible épaisseur d'oxyde avec des champs électriques élevés entraîne un effet tunnel des électrons du substrat vers la grille et de la grille vers le substrat à travers l'oxyde de grille, ce qui entraîne un courant d'effet tunnel de l'oxyde de grille.

Considérez les diagrammes de bandes d'énergie comme indiqué.

Figure 2. Diagrammes de bandes d'énergie des transistors MOS avec (a) bande plate, (b) une tension de grille positive, et (c) une tension de grille négative

Le premier diagramme, figure 2(a), est celui d'un transistor MOS à bande plate, c'est-à-dire où il n'y a aucune charge présente.

Lorsque la borne de grille est polarisée positivement, le diagramme de bande d'énergie change comme le montre le deuxième diagramme, figure 2(b). Les électrons au tunnel de surface fortement inversé dans ou à travers le SiO2 couche donnant naissance au courant de grille.

D'autre part, lorsqu'une tension de grille négative est appliquée, les électrons du tunnel de grille en polysilicium n+ dans ou à travers le SiO2 couche donnant lieu à un courant de grille, comme le montre la figure 2(c).

Tunnel Fowler-Nordheim et tunnel direct

Il existe principalement deux types de mécanismes d'effet tunnel entre la grille et le substrat. Ce sont :

Figure 3. Diagrammes de bandes d'énergie montrant (a) Tunnel de Fowler-Nordheim à travers la barrière de potentiel triangulaire de l'oxyde et (b) Tunnellisation directe à travers la barrière de potentiel trapézoïdale de l'oxyde

Vous pouvez voir les diagrammes de bandes d'énergie pour les deux mécanismes d'effet tunnel sur les figures 3(a) et 3(b) ci-dessus.

4. Courant de fuite dû à l'injection de porteurs chauds du substrat à l'oxyde de grille

Dans les dispositifs à canaux courts, le champ électrique élevé près de l'interface substrat-oxyde énergise les électrons ou les trous et ils traversent l'interface substrat-oxyde pour pénétrer dans la couche d'oxyde. Ce phénomène est connu sous le nom d'injection de porteurs chauds.

Figure 4. Diagramme de bande d'énergie représentant des électrons obtenant une énergie suffisante en raison d'un champ électrique élevé et traversant le potentiel de la barrière d'oxyde (effet d'injection de porteur chaud)

Ce phénomène est plus susceptible d'affecter les électrons que les trous. C'est parce que les électrons ont une masse effective moindre et une hauteur de barrière moindre par rapport aux trous.

5. Courant de fuite dû à l'abaissement du drain induit par la porte (GIDL)

Considérons un transistor NMOS avec un substrat de type p. Lorsqu'il y a une tension négative à la borne de grille, les charges positives s'accumulent juste à l'interface oxyde-substrat. En raison des trous accumulés au niveau du substrat, la surface se comporte comme une région p plus fortement dopée que le substrat.

Il en résulte une région d'appauvrissement plus mince à la surface le long de l'interface drain-substrat (par rapport à l'épaisseur de la région d'appauvrissement dans la masse).

Figure 5. (a) Formation d'une mince région d'appauvrissement à l'interface drain-substrat le long de la surface et (b) flux de courant GIDL dû aux porteurs générés par effet d'avalanche et BTBT

En raison d'une région d'appauvrissement mince et de champs électriques plus élevés, l'effet d'avalanche et le tunneling de bande à bande (comme discuté dans la première section de cet article) ont lieu. Ainsi, des porteurs minoritaires dans la région de drain sous la grille sont générés et sont poussés dans le substrat par la tension de grille négative. Cela s'ajoute au courant de fuite.

6. Courant de fuite dû à l'effet de perforation

Dans les dispositifs à canaux courts, en raison de la proximité des bornes de drain et de source, la région d'épuisement des deux bornes se rejoignent et finissent par fusionner. Dans une telle condition, on dit qu'un "punch-through" a eu lieu.

L'effet de perforation abaisse la barrière potentielle pour la majorité des porteurs de la source. Ceci augmente le nombre de porteurs entrant dans le substrat. Certains de ces porteurs sont collectés par le drain et le reste contribue au courant de fuite.

Vous devez maintenant vous familiariser avec six types de courants de fuite associés aux transistors MOS. Si vous avez des questions supplémentaires sur ces concepts, veuillez laisser un commentaire ci-dessous.


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