Memahami Enam Mekanisme Leakage Utama pada Transistor MOS

Arus leakage dapat secara signifikan berkontribusi pada dissipasi daya, terutama saat perangkat diskalakan ke tegangan ambang lebih rendah. Di bawah ini kita memeriksa enam jalur leakage paling umum dalam transistor MOS modern.

Dalam MOSFET saluran pendek, mekanisme leakage berikut mendominasi:

• Reverse-bias p-n junction leakage
• Subthreshold leakage
  • Drain-induced barrier lowering (DIBL)
  • Threshold-voltage roll-off
  • Temperature dependence
• Gate-oxide tunneling (direct and Fowler-Nordheim)
• Hot-carrier injection into the gate oxide
• Gate-induced drain lowering (GIDL)
• Punch-through leakage

Keakraban dengan operasi dasar MOSFET akan membantu Anda memahami nuansa dari setiap mekanisme.

1. Reverse-Bias p-n Junction Leakage

Selama operasi normal, junction drain-source dan substrate dari MOSFET adalah reverse-biased. Leakage dalam junction ini timbul dari drift/difusi carrier minoritas dan avalanche generation. Magnitudo tergantung pada konsentrasi doping dan area junction. Di daerah yang sangat ter-doping, band-to-band tunneling (BTBT) menjadi jalur leakage dominan, terutama di bawah medan listrik yang melebihi 10⁶ V/cm.

Gambar 1. Band-to-band tunneling dalam junction p-n yang reverse-biased dari transistor MOS. Sumber: K. Roy et al., “Leakage current mechanisms and leakage reduction techniques in deep-submicrometer CMOS circuits,” IEEE Proc., vol. 91, no. 2, Feb 2003.

2. Subthreshold Leakage

Saat tegangan gate di bawah tegangan ambang (V_th) namun di atas nol, transistor beroperasi di daerah weak-inversion. Carrier minoritas masih ada, dan untuk |V_DS| > 0,1 V seluruh penurunan tegangan terjadi di seluruh junction drain-substrate, menghasilkan current yang didominasi difusi.

Drain-Induced Barrier Lowering (DIBL)

Dalam perangkat saluran pendek, depletion regions dari drain dan source tumpang tindih, menurunkan potensi barrier di source. Ini memungkinkan carrier untuk inject ke channel bahkan saat V_GS < V_th, meningkatkan subthreshold leakage. DIBL lebih terlihat pada tegangan drain tinggi.

Threshold-Voltage Roll-Off

Memperpendek channel mengurangi V_th karena depletion regions memasuki lebih dalam ke channel, secara efektif mengurangi tegangan gate yang diperlukan untuk inversi. V_th yang lebih rendah secara langsung memperkuat subthreshold current, yang menskala sekitar 1/V_th.

Temperature Dependence

Suhu yang lebih tinggi menurunkan V_th dan meningkatkan kecepatan termal carrier, yang mengarah pada subthreshold leakage yang lebih tinggi. Desainer harus memperhitungkan efek ini saat menentukan margin suhu.

3. Gate-Oxide Tunneling Leakage

Gate oxide ultra-tipis (≤ 1,5 nm) menghasilkan medan listrik yang cukup kuat agar elektron dapat tunnel dari substrate ke gate dan sebaliknya. Dua mekanisme tunneling primer ada:

• Fowler-Nordheim tunneling – elektron melintasi barrier segitiga.
• Direct tunneling – elektron melintasi barrier trapezoid.

Gambar 2. Diagram band energi dari transistor MOS dalam kondisi flat-band (a), bias gate positif (b), dan bias gate negatif (c).

Gambar 3. (a) Tunneling Fowler-Nordheim melalui barrier segitiga; (b) Tunneling langsung melalui barrier trapezoid.

4. Hot-Carrier Injection

Di dekat junction source-channel, medan listrik yang tinggi dapat mempercepat carrier ke energi yang melebihi band offset Si/SiO₂. Carrier panas ini melintasi antarmuka ke dalam gate oxide, menyebabkan peningkatan gradual leakage dan degradasi perangkat pada akhirnya.

Gambar 4. Diagram band energi yang mengilustrasikan injeksi carrier panas dari channel ke gate oxide.

5. Gate-Induced Drain Lowering (GIDL)

Dalam NMOS pada substrate tipe-p, tegangan gate negatif mengakumulasi lubang di antarmuka gate-oxide, secara efektif doping permukaan lebih berat. Ini menciptakan depletion region tipis di sepanjang antarmuka drain-substrate, meningkatkan medan listrik. Medan tinggi ini memicu avalanche multiplication dan BTBT, menghasilkan carrier minoritas yang didorong ke substrate, menambah ke leakage.

Gambar 5. (a) Depletion region tipis di antarmuka drain-substrate; (b) Arus GIDL melalui mekanisme avalanche dan BTBT.

6. Punch-Through Leakage

Ketika depletion regions dari drain dan source tumpang tindih sepenuhnya, potensi barrier di antara mereka runtuh. Efek punch-through ini memungkinkan carrier dari source untuk melintasi langsung ke substrate dan potensialmente mencapai drain, menyebabkan jalur leakage yang signifikan.

Memahami enam mekanisme leakage ini esensial untuk merancang perangkat MOS hemat daya dan berkinerja tinggi. Untuk diskusi lebih lanjut, silakan tinggalkan komentar di bawah.