MOS管泄漏电流的原因
功耗是由漏电流引起的，尤其是在较低阈值电压下。了解MOS晶体管漏电流的六种不同原因。

1.反向偏置-PN结处的泄漏电流
2.漏电流低于阈值
3.由于排水造成的障碍物减少
4.第V次滚降
5.工作环境温度的影响
6.漏电流隧穿进入并穿过栅极氧化物
7.由于热载流子注入从衬底到栅极氧化物层的电流泄漏
8.由于栅极（GIDL）产生的漏极减少而导致的电流泄漏
在继续之前，请确保您理解MOS晶体管的基本概念，因为这将有助于您理解以下内容。

1.反向偏置pn结泄漏电流
在晶体管操作期间，MOS晶体管的漏极/源极和衬底结被反向偏置。因此，器件的漏电流被反向偏置。这种漏电流可能是由反向偏置区域中的少数载流子漂移/扩散以及雪崩效应产生的电子-空穴对引起的。pn结处的反向偏置漏电流由掺杂浓度和结面积决定。
在漏极/源极和衬底区域中的强掺杂pn结中，带对带隧穿（BTBT）效应主导反向偏置漏电流。电子在带间隧穿中从p价区的带直接隧穿到n导通区的带。对于大于10 6 V/cm的电场，BTBT是明显的。

图1。MOS晶体管反向偏置PN结中的带间隧道
值得注意的是，在这项研究的背景下，我们将隧穿定义为即使电子的能量远低于势垒也会发生。


2.亚阈值泄漏电流
当栅极电压小于阈值（Vth）但大于零时，晶体管被认为在亚阈值或弱反转区中被偏置。在弱反转中，少数载流子的浓度很小，但不是零。在|VDS|典型值＞0.1V的情况下，整个电压降发生在漏极-衬底pn结处。
平行于漏极和源极之间的Si-SiO接触的电场分量是最小的。由于电场较小，漂移电流较低，亚阈值电流主要是扩散电流
排水诱导屏障降低（DIBL）
漏极引起的势垒降低（DIBL）是亚阈值漏电流的主要原因。漏极和源极的耗尽区在短沟道器件中相互作用以降低源极势垒。亚阈值泄漏电流源自于将电荷载流子注入沟道表面的源极。
DIBL在高漏极电压和短沟道器件中是明显的。
第五次滚降
MOS器件的阈值电压随着沟道长度的减小而下降。V th滚降是对这种现象（或阈值电压滚降）的命名。短沟道器件中的漏极和源极耗尽区进一步延伸到沟道长度中，耗尽沟道的一部分。
因此，反转沟道需要较低的栅极电压，从而降低阈值电压。这种效应在较高的漏极电压下更为明显。因为亚阈值电流与阈值电压成反比，所以降低阈值电压会增加亚阈值泄漏电流。
工作温度的影响
泄漏电流也受到温度的影响。阈值电压随着温度的升高而下降。换句话说，随着温度的升高，亚阈值电流也会升高。

3.隧穿栅极氧化物泄漏电流
薄栅极氧化物在短沟道器件中的SiO层上提供大的电场。当氧化物厚度较低且电场较高时，电子从衬底隧穿到栅极，并从栅极穿过栅极氧化物隧穿到衬底，从而产生栅极-氧化物隧穿电流。
请考虑图中所示的频带图。


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。
当栅极端子正向偏置时，能带图发生变化，如图2第二张图所示。（b） 。当强反转表面处的电子隧穿进入或穿过SiO层时，产生栅极电流。
另一方面，负栅极电压导致来自n+多晶硅栅极的电子隧穿进入或穿过SiO2层，产生栅极电流，如图所示。2。（c） 。

Fowler-Nordheim隧道和直达隧道
在栅极和衬底之间主要存在两种隧道机制。他们是：
Fowler-Nordheim隧穿，其中电子穿过三角形势垒
直接隧穿，即电子通过阶梯势垒隧穿




图3。带图显示（a）Fowler-Nordheim隧道通过氧化物的三角形势垒和（b）直接隧道穿过氧化物的阶梯势垒
您可以在上面的图3（a）和图3（b）中看到两种隧道机制的能带图。


4.由于从衬底到栅极氧化物的热载流子注入而导致的漏电流
衬底-氧化物界面附近的高电场激发电子或空穴，这些电子或空穴穿过衬底-氧化物接口并进入短沟道器件中的氧化物层。热载流子注入就是这种现象的术语。
图4。描述电子由于高电场而获得足够能量以穿过氧化物势垒的能带图（热载流子注入效应）

电子比空穴更容易受到这种现象的影响。这是由于电子比空穴具有更低的有效质量和更低的势垒高度。


5.栅极感应漏极压降（GIDL）引起的漏电流
以具有p型衬底的NMOS晶体管为例。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建立。由于空穴积聚在衬底上，表面表现为比衬底更强的掺杂p区。
结果，沿着漏极-衬底接触的耗尽区在表面附近更薄（与本体中的耗尽区的厚度相比）。

图5。（a） 在漏极-衬底界面处沿表面形成薄耗尽区和（b）由于雪崩效应和BTBT产生的载流子引起的GIDL电流
雪崩和带间隧道效应（如本研究第一部分所述）是由于薄的耗尽区和较大的电场而发生的。结果，在栅极下方的漏极区域中产生少数载流子，并且负栅极电压将它们推入衬底。泄漏电流因此而上升。

6.穿孔效应引起的泄漏电流
因为在短沟道器件中，漏极和源极靠近在一起，所以两个端子的耗尽区会聚并最终重叠。据说在这种情况下发生了“渗透”。
对于大多数来自源的载流子，穿透效应降低了势垒。因此，进入衬底的载流子的数量增加。漏极收集其中一些载流子，而其余载流子产生漏电流。