短チャネルMOSトランジスタの漏れ電流成分を理解する
この記事では、MOSトランジスタで発生する可能性のあるリーク電流をよりよく理解するために、MOSトランジスタの基本について説明します。
MOSトランジスタは、集積回路内のパッケージ密度を最大化するために縮小されています。これにより、酸化物の厚さが減少し、MOSデバイスのしきい値電圧が減少しました。より低いしきい値電圧では、漏れ電流が大きくなり、電力損失に寄与します。これが、MOSトランジスタのさまざまなタイプのリーク電流を知ることが重要である理由です。
さまざまなリーク電流成分を理解する前に、まずMOSトランジスタのコアの概念を再検討しましょう。これにより、トピックに関するより良い洞察を得ることができます。
MOSトランジスタ構造の再検討
MOSトランジスタ構造は、金属、酸化物、および半導体構造（したがって、MOS）で構成されています。
ドレイン端子とソース端子としてp基板とn +拡散ウェルを備えたNMOSトランジスタを考えてみましょう。酸化物層はSiO 2 でできています ドレインとソースの間のチャネル上で成長します。ゲート端子は、n +ドープされたポリシリコンまたはアルミニウムでできています。
図1。 NFSトランジスタの鳥瞰図。 S. M. Kang、Y。Leblebici、 CMOS Digital Integrated Circuits、からのすべての画像 TMH、2003年、ch.3、pp：83-93
バイアスのない状態では、ドレイン/ソースと基板の界面のpn接合は逆バイアスされます。トランジスタのエネルギーバンド図は図2のようになっています。
図2。 バイアスのないNMOSトランジスタのエネルギーバンド図
ご覧のとおり、金属、酸化物、半導体のフェルミ準位は一致しています。酸化物-半導体界面での電圧降下により、Siエネルギーバンドに曲がりがあります。内蔵電界の方向は金属から酸化物、半導体へであり、電圧降下の方向は電界の方向と反対です。
この電圧降下は、金属と半導体の仕事関数の違いが原因で発生します（電圧降下の一部は酸化物で発生し、残りはSi-SiO 2 で発生します。 インターフェース）。仕事関数は、電子がフェルミ準位から自由空間に逃げるのに必要なエネルギー量です。ジョーダン・エドマンズによるこのビデオで、MOSトランジスタのバンド図とバンドベンディングについて詳しく理解できます。
蓄積
次に、ゲートに負の電圧があり、ドレインと基板が接地されているソースがあるとします。負の電圧により、基板の穴（多数キャリア）が表面に引き付けられます。この現象は蓄積と呼ばれます。基板内の少数キャリア（電子）は、基板の奥深くに押し戻されます。対応するエネルギーバンド図を以下に示します。
図3。 ゲート端子に負の電圧があるNMOSトランジスタのエネルギーバンド図
電界の方向は半導体から酸化物、金属へであるため、エネルギーバンドは反対方向に曲がります。また、フェルミ準位の変化にも注意してください。
空乏および空乏領域
または、ゲート電圧がゼロより大きいと考えてください。穴は基板に反発され、チャネルには移動電荷キャリアがなくなります。この現象は空乏と呼ばれ、偏りのない状態よりも広い空乏領域が作成されます。
図4。 NFSの空乏領域
図5。 図4に示すNMOS空乏領域に対応するエネルギーバンド図
電界は金属から酸化物、半導体へと変化するため、エネルギーバンドは下方向に曲がります。
表面反転
ゲートの正の電圧がさらに上昇すると、基板内の少数キャリア（電子）がチャネルの表面に引き付けられます。この現象は表面反転と呼ばれ、表面が反転するゲート電圧はしきい値電圧（V th ）と呼ばれます。 。
図6。 、NMOSトランジスタの表面反転
図7。 図6に示すNMOSトランジスタの対応するエネルギーバンド図
電子は、ソースとドレインの間に伝導チャネルを作成します。その後、ドレイン電圧がゼロ電位から増加すると、ドレイン電流（I d ）ソースとドレインの間を流れ始めます。エネルギーバンドはさらに下向きに、半導体と酸化物の界面で曲がります。
ここで、固有のフェルミ準位は、p型基板のフェルミ準位よりも低くなっています。これは、表面で半導体がn型であるという点を裏付けています（n型材料のエネルギーバンド図では、固有のフェルミ準位はドナーエネルギー準位よりも低いエネルギー準位にあります）。
次の記事では、MOSトランジスタに見られる6種類のリーク電流について説明します。
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