Transistor leakage current, GIDL, DIBL(Vt roll-off, short channel effect) 핵심만! 쉽게 이해하기!

오늘은 transistor의 leakage current가 뭐가 있는지 알아보고 그중에서도 GIDL과 DIBL에 대해서 알아보겠습니다!

 

charge loss 경로에서 5가지만 보겠습니다.

그림은 참고만 하시고 아래 번호와는 상관이 없는 그림입니다.

 

1. GIDL current

   아래서 자세히 설명하겠습니다.

2. Juction leakage

   저번 포스팅에서 p-well의 도핑 농도를 높임으로써 p-well과 source, drain의 공핍층이 얇아져 전자가 tunneling 될 수 있다고 설명했습니다. 이때 발생하는 leakage가 juction leakage입니다.

3. Off-state current

   off-state current source에서 drain으로 흐르는 전류를 의미합니다.

4. STI leakage

   위 그림에서는 보이지 않지만 transistor 사이에 누설전류를 막기 위한 STI가 존재합니다. 여기서도 leakage가 발생합니다..

5. Dielectric leakage

   source쪽에 capacitor를 만들게 되면 capacitor를 감싸는 것이 결국에는 dielectric이고, 여기서 누설전류가 발생할 수 있습니다.

 

이 순서대로 leakage가 많이 발생합니다.

 

그럼, 면접에서 많이 물어보는 GIDL과 또 추가로 DIBL에 대해 설명하겠습니다.

 

1. GIDL(Gate Induced Drain Leakage)

GIDL은 Gate에 인가된 (-) 전압이 drain의 energy band에 영향을 주어 전자가 tunneling 하는 현상을 의미합니다.

여기서!! 중요한게 있습니다. 대부분의 사람들은 gate에 있는 전자가 drain으로 이동하는 것으로 착각합니다.

하지만 그게 아니라, drain의 valence band 전자가 drain의 conduction band로 tunneling 하는 Band To Band Tunneling이 발생합니다. 이로 인해 electron-hole pair가 형성되는 것이죠.

 

 

 

 

오른쪽 그림이 drain쪽의 band diagram입니다. 보면 gate의 낮은 전압에 의해 band energy가 올라가는 것을 확인하실 수 있습니다.

이때 drain의 valence band에 있는 전자가 drain의 conduction band로 넘어가는 Band To Band Tunneling을 보실 수 있습니다.

이것을 GIDL current라고 부릅니다.

 

2. DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)

DIBL에 관한 설명은 위에 leakage current를 설명할 때 언급하지 않았습니다. 

그 이유는 DIBL은 short-channel effect로 인해 나타난 현상이기 때문입니다.

transistor 소자가 점점 작아지면서 source와 drain사이의 거리가 가까워지면서 depletion 영역이 channel을 침범하게 되고 이로 인해 Vt가 낮아져 발행하는 leakage인 것이죠. 이는 Vt를 낮추는 결과를 가져오기 때문에 Vt roll-off라고도 불립니다.

 

Drain전압이 높아질 수록 NMOS기준 N형에 (+) 전압을 인가하는 것이 되기 때문에 Reverse bias가 걸리기 때문에 depletion region은 증가하게 되고, 이는 소자가 작아지면서 channel에 영향을 크게 미치게 됩니다. 

그래서 gate전압에 의해 channel이 형성되고 사라져야 하는데, drain전압에 의해 channel이 쉽게 형성되기도 하고, 어렵게 형성되기도 해 버리는 거죠.

 

그림을 보시면 drain전압이 높을수록 DIBL current가 커지는 것을 확인할 수 있습니다.

 

---

이런 누설전류들을 줄이려면 어떻게 해야 할까요?

소자의 구조를 바꾸거나, 재료를 바꾸거나, 인가하는 파라미터 값을 바꾸는 등의 노력을 해볼 수 있겠네요!

이에 대해서는 다음 포스팅에서 이어가도록 하겠습니다.

 

오늘도 다들 수고하셨습니다!

행복한 하루 보내세요.