6 Penyebab Arus Kebocoran Transistor MOS

Arus bocor dapat menyebabkan disipasi daya, terutama pada tegangan ambang yang lebih rendah. Pelajari tentang enam jenis arus bocor yang dapat ditemukan di transistor MOS.

Saat membahas transistor MOS, pada dasarnya ada enam jenis komponen arus bocor pada perangkat saluran pendek:

• Arus kebocoran sambungan bias mundur-pn
• Arus kebocoran di bawah ambang batas
  • Penurunan penghalang akibat drainase
  • V_th meluncur
  • Pengaruh suhu pengoperasian
• Menelusuri ke dalam dan melalui arus bocor oksida gerbang
• Arus bocor karena injeksi pembawa panas dari substrat ke oksida gerbang
• Arus bocor karena penurunan saluran yang diinduksi gerbang (GIDL)

Sebelum melanjutkan, pastikan Anda memahami konsep dasar transistor MOS yang akan mempersiapkan Anda untuk informasi berikut.

1. Bias Balik pn Arus Kebocoran Persimpangan

Saluran pembuangan/sumber dan sambungan substrat dalam transistor MOS dibias mundur selama operasi transistor. Ini menghasilkan arus bocor yang dibias terbalik di perangkat. Arus bocor ini dapat disebabkan oleh hanyut/difusi pembawa minoritas di daerah bias balik dan pembangkitan pasangan lubang elektron karena efek longsoran. Arus bocor dengan bias mundur sambungan pn bergantung pada konsentrasi doping dan area sambungan.

Untuk sambungan pn yang sangat didoping dari daerah saluran/sumber dan substrat, efek BTBT (band-to-band tunneling) mendominasi arus bocor bias balik. Dalam tunneling band-to-band, elektron mengalir langsung dari pita valensi daerah p ke pita konduksi daerah n. BTBT terlihat untuk medan listrik yang lebih besar dari 10 ⁶ V/cm.

Gambar 1. Penerowongan band-to-band di persimpangan pn bias terbalik dari transistor MOS. Semua gambar yang digunakan atas izin K.Roy, dkk., “Mekanisme arus bocor dan teknik pengurangan kebocoran di sirkuit CMOS submikrometer dalam”; Prok. dari IEEE, Vol. 91, No. 2, Februari 2003.

Perhatikan bahwa, dalam konteks artikel ini, kami mendefinisikan fenomena terowongan sebagai terjadi bahkan ketika energi elektron jauh lebih kecil daripada penghalang potensial.

2. Arus Kebocoran Subthreshold

Ketika tegangan gerbang kurang dari tegangan ambang (V_th ) tetapi lebih besar dari nol, transistor dikatakan bias pada subthreshold atau daerah inversi lemah. Dalam inversi lemah, konsentrasi pembawa minoritas kecil tetapi tidak nol. Dalam kasus seperti itu, untuk nilai tipikal |V_DS |> 0,1V dan seluruh penurunan tegangan terjadi di persimpangan pn substrat saluran pembuangan.

Komponen medan listrik antara saluran dan sumber, sejajar dengan Si-SiO₂ antarmuka, kecil. Karena medan listrik yang dapat diabaikan ini, arus drift dapat diabaikan dan arus subthreshold terutama terdiri dari arus difusi.

Penurunan Penghalang Akibat Drain (DIBL)

Arus bocor di bawah ambang batas terutama disebabkan oleh penurunan penghalang yang diinduksi saluran atau DIBL. Dalam perangkat saluran pendek, daerah penipisan saluran dan sumber berinteraksi satu sama lain dan mengurangi penghalang potensial pada sumbernya. Sumber kemudian dapat menyuntikkan pembawa muatan ke permukaan saluran yang mengakibatkan kebocoran arus di bawah ambang batas.

DIBL diucapkan dalam voltase pembuangan tinggi dan perangkat saluran pendek.

V_th Meluncur

Tegangan ambang batas perangkat MOS berkurang karena pengurangan panjang saluran. Fenomena ini disebut V_th roll-off (atau roll-off tegangan ambang). Pada perangkat saluran pendek, daerah penipisan saluran dan sumber masuk lebih jauh ke dalam panjang saluran, menghabiskan sebagian saluran.

Karena ini, tegangan gerbang yang lebih rendah diperlukan untuk membalikkan saluran yang mengurangi tegangan ambang. Fenomena ini diucapkan untuk tegangan saluran yang lebih tinggi. Pengurangan tegangan ambang meningkatkan arus bocor di bawah ambang karena arus di bawah ambang berbanding terbalik dengan tegangan ambang.

Pengaruh Suhu Pengoperasian

Suhu juga berperan dalam kebocoran arus. Tegangan ambang menurun dengan meningkatnya suhu. Atau, dengan kata lain, arus di bawah ambang batas meningkat dengan meningkatnya suhu.

3. Terowongan ke dan Melalui Arus Kebocoran Oksida Gerbang

Dalam perangkat saluran pendek, oksida gerbang tipis menghasilkan medan listrik yang tinggi di seluruh SiO₂ lapisan. Ketebalan oksida yang rendah dengan medan listrik yang tinggi menghasilkan terowongan elektron dari substrat ke gerbang dan dari gerbang ke substrat melalui gerbang oksida, menghasilkan arus tunneling gerbang oksida.

Perhatikan diagram pita energi seperti yang ditunjukkan.

Gambar 2. Diagram pita energi transistor MOS dengan (a) pita datar, (b) tegangan gerbang positif, dan (c) tegangan gerbang negatif

Diagram pertama, Gambar 2(a), adalah dari transistor MOS pita datar, yaitu, di mana tidak ada muatan di dalamnya.

Ketika terminal gerbang dibias positif, diagram pita energi berubah seperti yang ditunjukkan pada diagram kedua, Gambar 2(b). Elektron pada terowongan permukaan yang sangat terbalik ke atau melalui SiO₂ lapisan yang menimbulkan arus gerbang.

Di sisi lain, ketika tegangan gerbang negatif diterapkan, elektron dari terowongan gerbang polisilikon n+ ke atau melalui SiO₂ lapisan yang menimbulkan arus gerbang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(c).

Terowongan Fowler-Nordheim dan Terowongan Langsung

Ada dua jenis mekanisme tunneling antara gerbang dan substrat. Mereka adalah:

• Terowongan Fowler-Nordheim, tempat elektron menembus penghalang potensial segitiga
• Penerowongan langsung, di mana elektron menembus penghalang potensial trapesium

Gambar 3. Diagram pita energi menunjukkan (a) Terowongan Fowler-Nordheim melalui penghalang potensial segitiga oksida dan (b) Penerowongan langsung melalui penghalang potensial trapesium oksida

Anda dapat melihat diagram pita energi untuk kedua mekanisme tunneling pada Gambar 3(a) dan 3(b) di atas.

4. Arus Kebocoran Akibat Injeksi Pembawa Panas dari Substrat ke Gerbang Oksida

Dalam perangkat saluran pendek, medan listrik tinggi di dekat antarmuka substrat-oksida memberi energi pada elektron atau lubang dan mereka melintasi antarmuka substrat-oksida untuk memasuki lapisan oksida. Fenomena ini dikenal sebagai injeksi pembawa panas.

Gambar 4. Diagram pita energi yang menggambarkan elektron memperoleh energi yang cukup karena medan listrik yang tinggi dan melintasi potensial penghalang oksida (efek injeksi pembawa panas)

Fenomena ini lebih cenderung mempengaruhi elektron daripada lubang. Ini karena elektron memiliki massa efektif yang lebih rendah dan ketinggian penghalang yang lebih rendah dibandingkan dengan lubang.

5. Arus Kebocoran Karena Penurunan Drain yang Diinduksi Gerbang (GIDL)

Pertimbangkan transistor NMOS dengan substrat tipe-p. Ketika ada tegangan negatif di terminal gerbang, muatan positif menumpuk hanya di antarmuka oksida-substrat. Karena akumulasi lubang pada substrat, permukaan berperilaku sebagai daerah-p yang lebih banyak didoping daripada substrat.

Hal ini menghasilkan daerah penipisan yang lebih tipis di permukaan sepanjang antarmuka saluran-substrat (bila dibandingkan dengan ketebalan daerah penipisan secara massal).

Gambar 5. (a) Pembentukan daerah penipisan tipis pada antarmuka saluran-substrat di sepanjang permukaan dan (b) aliran arus GIDL karena pembawa yang dihasilkan oleh efek avalanche dan BTBT

Karena daerah penipisan yang tipis dan medan listrik yang lebih tinggi, terjadi efek avalanche dan tunneling band-to-band (seperti yang dibahas di bagian pertama artikel ini). Dengan demikian, pembawa minoritas di wilayah saluran di bawah gerbang dihasilkan dan didorong ke dalam substrat oleh tegangan gerbang negatif. Ini menambah kebocoran arus.

6. Arus Kebocoran Karena Efek Punch-Through

Dalam perangkat saluran pendek, karena kedekatan terminal saluran dan sumber, daerah penipisan kedua terminal bersatu dan akhirnya bergabung. Dalam kondisi seperti itu, "punch-through" dikatakan telah terjadi.

Efek punch-through menurunkan penghalang potensial untuk sebagian besar pembawa dari sumbernya. Ini meningkatkan jumlah pembawa yang masuk ke dalam substrat. Beberapa pembawa ini dikumpulkan oleh saluran pembuangan dan sisanya berkontribusi pada arus bocor.

Anda sekarang harus akrab dengan enam jenis arus bocor yang terkait dengan transistor MOS. Jika Anda memiliki pertanyaan tambahan tentang konsep ini, silakan tinggalkan komentar di bawah.