Décoder les courants de fuite dans les transistors MOS à canal court : insights clés pour la conception basse consommation

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

Les transistors MOS sont miniaturisés pour maximiser leur densité d'intégration dans les circuits intégrés. Cela a conduit à la réduction de l'épaisseur d'oxyde, ce qui a à son tour réduit la tension de seuil des dispositifs MOS. À des tensions de seuil plus basses, le courant de fuite devient significatif et contribue à la dissipation de puissance. C'est pourquoi il est vital de connaître les différents types de courants de fuite dans un transistor MOS.

Avant d'essayer de comprendre les divers composants du courant de fuite, revenons d'abord sur les concepts fondamentaux du transistor MOS. Cela nous aidera à mieux appréhender le sujet.

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 MOS).

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

Figure 1. Vue en plongée 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 aux interfaces drain/source et substrat sont polarisées en inverse. Le diagramme de bandes d'énergie du transistor est comme montré dans la Figure 2.

Figure 2. Diagramme de bandes d'énergie d'un transistor NMOS non polarisé

On voit que 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 due à la chute de tension à l'interface oxyde-semi-conducteur. La direction du champ électrique inhérent est du métal vers l'oxyde vers le 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 fonction de travail entre le métal et le semi-conducteur (une partie de la chute de tension a lieu à travers l'oxyde et le reste à l'interface Si-SiO₂). La fonction de travail est la quantité d'énergie requise pour que les électrons s'échappent du niveau de Fermi vers l'espace libre. Vous pouvez en apprendre davantage sur le diagramme de bandes et la courbure de bandes du transistor MOS dans cette vidéo de Jordan Edmunds.

Accumulation

Supposons maintenant que la grille a une tension négative et que la source, le drain et le substrat sont mis à la masse. En raison de la tension négative, les trous dans le substrat (porteurs majoritaires) sont attirés vers la surface. Ce phénomène s'appelle accumulation. Les porteurs minoritaires dans le substrat (électrons) sont repoussés profondément à l'intérieur. Le diagramme de bandes d'énergie correspondant est donné ci-dessous.

Figure 3. Diagramme de bandes d'énergie d'un transistor NMOS avec tension négative sur la borne de grille

Puisque la direction du champ électrique est du semi-conducteur vers l'oxyde vers le métal, les bandes d'énergie se courbent dans le sens inverse. Remarquez aussi les décalages des niveaux de Fermi.

Déplétion et régions de déplétion

Alternativement, considérons la tension de grille juste supérieure à zéro. Les trous sont repoussés dans le substrat et le canal est dépourvu de tout porteur de charge mobile. Ce phénomène s'appelle déplétion et une région de déplétion plus large qu'en condition non polarisée est créée.

Figure 4. La région de déplétion dans un NMOS

 

Figure 5. Le diagramme de bandes d'énergie correspondant pour la région de déplétion du NMOS montrée dans la Figure 4

Puisque le champ électrique est du métal vers l'oxyde vers le 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 s'appelle inversion de surface et la tension de grille à laquelle la surface s'inverse juste est connue sous le nom de tension de seuil (V_th).

Figure 6. Inversion de surface dans un transistor NMOS

 

Figure 7. Le diagramme de bandes d'énergie correspondant pour le transistor NMOS montré dans 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 soutient le fait qu'à la surface, le semi-conducteur est de type n (dans les diagrammes de bandes d'un matériau de type n, le niveau de Fermi intrinsèque est à un niveau d'énergie inférieur au niveau donneur).

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