Comprendre les composants de courant de fuite dans les transistors MOS à canal court

Cet article couvre les bases des transistors MOS en vue de mieux comprendre le courant de fuite qui peut se produire dans de tels transistors.

Les transistors MOS sont réduits pour maximiser leur densité de boîtier à l'intérieur des circuits intégrés. Cela a conduit à la réduction de l'épaisseur de l'oxyde qui, à son tour, a réduit la tension de seuil des dispositifs MOS. A des tensions de seuil inférieures, le courant de fuite devient important et contribue à la dissipation de puissance. C'est pourquoi il est essentiel de connaître les différents types de courants de fuite dans un transistor MOS.

Avant d'essayer de comprendre les différentes composantes du courant de fuite, revoyons d'abord les concepts de noyau de transistor MOS. Cela nous aidera à mieux comprendre le sujet.

La structure du transistor MOS revisitée

La structure du transistor MOS se compose d'un métal, d'un oxyde et d'une structure semi-conductrice (d'où le MOS).

Considérons un transistor NMOS avec un substrat p et des puits de diffusion n+ comme bornes de drain et de source. La couche d'oxyde est en SiO₂ et est cultivé sur le canal entre le drain et la source. La borne de grille est en polysilicium dopé n+ ou en aluminium.

Figure 1. Vue aérienne d'un transistor NMOS. Toutes les images de S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, ch.3, pp:83-93

En condition non polarisée, les jonctions pn à l'interface drain/source et substrat sont polarisées en inverse. Le diagramme de bande d'énergie du transistor est illustré à la figure 2.

Figure 2. Le diagramme de bande d'énergie d'un transistor NMOS non polarisé

Comme vous pouvez le voir, les niveaux de Fermi du métal, de l'oxyde et du semi-conducteur s'alignent. Il y a une courbure dans les bandes d'énergie du Si en raison de la chute de tension à l'interface oxyde-semi-conducteur. La direction du champ électrique intégré va du métal à l'oxyde au semi-conducteur et la direction de la chute de tension est opposée à la direction du champ électrique.

Cette chute de tension se produit en raison de la différence de travail d'extraction entre le métal et le semi-conducteur (une partie de la chute de tension a lieu à travers l'oxyde et le reste à travers le Si-SiO₂ interface). Le travail de sortie est la quantité d'énergie nécessaire aux électrons pour s'échapper du niveau de Fermi vers l'espace libre. Vous pouvez en savoir plus sur le diagramme de bande du transistor MOS et la flexion de bande dans cette vidéo de Jordan Edmunds.

Accumulation

Ensuite, supposons que la grille a une tension négative et la source où le drain et le substrat sont mis à la terre. En raison de la tension négative, les trous dans le substrat (porteurs majoritaires) sont attirés vers la surface. Ce phénomène est appelé accumulation. Les porteurs minoritaires du substrat (électrons) y sont repoussés en profondeur. Le diagramme de bande d'énergie correspondant est donné ci-dessous.

Figure 3. Le diagramme de bande d'énergie d'un transistor NMOS avec une tension négative sur la borne de grille

Étant donné que la direction du champ électrique va du semi-conducteur à l'oxyde au métal, les bandes d'énergie se plient dans la direction opposée. Notez également les changements dans les niveaux de Fermi.

Régions d'épuisement et d'épuisement

Alternativement, considérez que la tension de grille est juste supérieure à zéro. Les trous sont repoussés dans le substrat et le canal est vidé de tout porteur de charge mobile. Ce phénomène est appelé épuisement et une région d'épuisement plus large que dans la condition impartiale est créée.

Figure 4. La région d'épuisement dans un NMOS

Figure 5. Le diagramme de bande d'énergie correspondant pour la région d'appauvrissement NMOS illustré à la figure 4

Étant donné que le champ électrique va du métal à l'oxyde et au semi-conducteur, les bandes d'énergie se courbent vers le bas.

Inversion de surface

Si la tension positive à la grille est encore augmentée, les porteurs minoritaires dans le substrat (électrons) sont attirés vers la surface du canal. Ce phénomène est appelé inversion de surface et la tension de grille à laquelle la surface s'inverse est appelée tension de seuil (V_th ).

Figure 6. Inversion de surface dans le transistor NMOS

Figure 7. Le diagramme de bande d'énergie correspondant pour le transistor NMOS illustré à la figure 6

Les électrons créent un canal de conduction entre la source et le drain. Si la tension de drain est ensuite augmentée à partir du potentiel zéro, un courant de drain (I_d ) commence à circuler entre la source et le drain. Les bandes d'énergie se courbent davantage vers le bas et à l'interface semi-conducteur-oxyde.

Ici, le niveau de Fermi intrinsèque est inférieur au niveau de Fermi d'un substrat de type p. Cela confirme le fait qu'à la surface, le semi-conducteur est de type n (dans les diagrammes de bandes d'énergie d'un matériau de type n, le niveau de Fermi intrinsèque est à un niveau d'énergie inférieur au niveau d'énergie du donneur).

Dans le prochain article, nous définirons six types de courant de fuite trouvés dans les transistors MOS.