Memahami Komponen Arus Bocor pada Transistor MOS Saluran Pendek

Artikel ini membahas dasar-dasar transistor MOS dengan tujuan untuk lebih memahami arus bocor yang dapat terjadi pada transistor tersebut.

Transistor MOS semakin diperkecil untuk memaksimalkan kepadatan paket mereka di dalam sirkuit terpadu. Hal ini menyebabkan pengurangan ketebalan oksida yang, pada gilirannya, telah mengurangi tegangan ambang perangkat MOS. Pada tegangan ambang yang lebih rendah, arus bocor menjadi signifikan dan berkontribusi terhadap disipasi daya. Inilah mengapa penting bagi kita untuk mengetahui berbagai jenis arus bocor pada transistor MOS.

Sebelum kita mencoba memahami berbagai komponen arus bocor, mari kita tinjau kembali konsep inti transistor MOS. Ini akan membantu kami mendapatkan wawasan yang lebih baik tentang topik tersebut.

Struktur Transistor MOS Ditinjau Kembali

Struktur transistor MOS terdiri dari logam, oksida, dan struktur semikonduktor (oleh karena itu, MOS).

Pertimbangkan transistor NMOS dengan p-substrat dan sumur difusi n+ sebagai terminal saluran dan sumber. Lapisan oksida terbuat dari SiO₂ dan ditanam di atas saluran antara saluran pembuangan dan sumber. Terminal gerbang terbuat dari n+ polisilikon atau aluminium.

Gambar 1. Pandangan mata burung dari transistor NMOS. Semua gambar dari S. M. Kang, Y. Leblebici, CMOS Digital Integrated Circuits, TMH, 2003, bag.3, hlm:83-93

Dalam kondisi tidak bias, sambungan pn pada antarmuka saluran/sumber dan substrat dibias mundur. Diagram pita energi transistor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Diagram pita energi dari transistor NMOS yang tidak bias

Seperti yang Anda lihat, tingkat Fermi dari logam, oksida, dan semikonduktor sejajar. Ada tikungan di pita energi Si karena jatuh tegangan pada antarmuka semikonduktor oksida. Arah medan listrik built-in adalah dari logam ke oksida ke semikonduktor dan arah jatuh tegangan berlawanan dengan arah medan listrik.

Jatuh tegangan ini terjadi karena perbedaan fungsi kerja antara logam dan semikonduktor (sebagian dari jatuh tegangan terjadi di oksida dan sisanya di Si-SiO₂ antarmuka). Fungsi kerja adalah jumlah energi yang dibutuhkan elektron untuk melepaskan diri dari tingkat Fermi ke ruang bebas. Anda dapat memahami lebih lanjut tentang diagram pita transistor MOS dan pembengkokan pita dalam video ini oleh Jordan Edmunds.

Akumulasi

Selanjutnya, misalkan gerbang memiliki tegangan negatif dan sumber di mana saluran pembuangan dan substrat diarde. Karena tegangan negatif, lubang di substrat (pembawa mayoritas) tertarik ke permukaan. Fenomena ini disebut akumulasi. Pembawa minoritas dalam substrat (elektron) didorong kembali jauh ke dalamnya. Diagram pita energi yang sesuai diberikan di bawah ini.

Gambar 3. Diagram pita energi transistor NMOS dengan tegangan negatif pada terminal gerbang

Karena arah medan listrik dari semikonduktor ke oksida ke logam, pita energi menekuk ke arah yang berlawanan. Perhatikan juga perubahan level Fermi.

Wilayah Deplesi dan Deplesi

Sebagai alternatif, pertimbangkan tegangan gerbang lebih besar dari nol. Lubang ditolak kembali ke substrat dan saluran habis dari semua pembawa muatan seluler. Fenomena ini disebut deplesi dan daerah penipisan yang lebih luas daripada kondisi tidak bias dibuat.

Gambar 4. Wilayah penipisan dalam NMOS

Gambar 5. Diagram pita energi yang sesuai untuk wilayah penipisan NMOS ditunjukkan pada Gambar 4

Karena medan listrik dari logam ke oksida ke semikonduktor, pita energi menekuk ke arah bawah.

Pembalikan Permukaan

Jika tegangan positif di gerbang ditingkatkan lebih lanjut, pembawa minoritas di substrat (elektron) tertarik ke permukaan saluran. Fenomena ini disebut inversi permukaan dan tegangan gerbang di mana permukaan hanya membalik dikenal sebagai tegangan ambang (V_th ).

Gambar 6. Inversi permukaan dalam transistor NMOS

Gambar 7. Diagram pita energi yang sesuai untuk transistor NMOS ditunjukkan pada Gambar 6

Elektron membuat saluran konduksi antara sumber dan saluran. Jika tegangan drain kemudian dinaikkan dari potensial nol, arus drain (I_d ) mulai mengalir antara sumber dan saluran pembuangan. Pita energi menekuk lebih jauh ke bawah dan pada antarmuka semikonduktor-oksida.

Di sini, tingkat Fermi intrinsik lebih rendah dari tingkat Fermi substrat tipe-p. Hal ini mendukung pendapat bahwa, di permukaan, semikonduktor adalah tipe-n (dalam diagram pita energi bahan tipe-n, tingkat Fermi intrinsik berada pada tingkat energi yang lebih rendah daripada tingkat energi donor).

Pada artikel berikutnya, kami akan menggambarkan enam jenis arus bocor yang ditemukan pada transistor MOS.