누설전류(Leakage Current)

누설전류 (leakage current)

 

Transistor를 소형화 하는데는 문제가 있는데, Leakage cuurent가 존재한다는 것이다. 누설 전류란 전류가 흘러야 할 곳이 아닌 다른 곳으로 흐르는 현상이다. 다시 말하면 전류가 새는 것인데, 본래의 동작에 기여하지 못하고 소비전류만 늘어나게 된다.

 

누설전류는 DRAM에서 치명적인 문제를 야기하는데, 얇아진 산화막 두께로 인해 유도된 강한 전기장이 Space charge 영역에서 일어나는 밴드간 터널링에 의한 전하의 생성량을 크게 하여 GIDL(Gate Induced Drain Leagkage)가 발생한다.

 

누설전류가 흐르게 되는 경우는 크게 두가지가 있다.

하나는 크기가 작아지면서 산화막의 두께가 얇아지면서 게이트와 아래 기판 사이에 전류가 누설되는 것이다.

또 다른 하나는 소형화가 되면서 Source와 Drain 사이에 있는 절연층도 얇아지는 것이다.

 

이를 해결 하기 위해서 높은 유전율의 물질인 High-k물질을 사용하거나, 새로운 Gate구조인 Fin-FET구조 등을 사용한다

 

구체적으로 누설전류에 대해 살펴보겠다.

 

- Gate Induced Drain Leakage(GIDL)

 Drain Voltage가 Gate Voltage, Body Voltage와 큰 차이가 날 경우, Depletion 영역이 Gate와 Drain이 Overlap되는 구간에 치고 들어온다. 이 때, e-h pair가 공간으로 들어오는데, Drain의 강한 전계에 의해 전자가 Drain 쪽으로 Band To Band Tunneling 되어 Drain으로 누설전류가 생기게 되는 것이다.

 

- Subthreshold Leakage

 Subthreshold Leakage는 Gate 전류가 Threshold Volatge보다 작아도 Drain 전류가 흐르는 것을 의미한다. 저전력 디바이스를 설계할려면 FET동작을 위한 Threshold Voltage를 낮춰야한다. 이를 위해 채널이온을 주입하는 공정을 사용한다. 하지만 이로 인해 문턱전압이 낮아져 저전력 동작을 하지만, 문턱전압보다 낮은 전압을 걸어도 미세한 누설 전류가 흐르는 문제가 발생한다.

 

- Thermal Characteristic of MOSFET

 MOSFET의 parameter로 3가지를 들 수 있는데, Threshold Voltage, On Current, Off Current가 있다. 이는 온도의 영향을 받는다.

 Threshold Voltages는 온도가 증가하면 Intrinsic Carrier농도가 증가하고, Fermi level이 낮아지고, 이에 따라 감소하는 경향을 보인다. Saturation Current는 기존의 Saturation Current 공식에 따른 초기에 증가하는 것처럼 보이지만 이후에는 감소하는 것을 볼 수 있다. 감소하는 이유는 온도가 올라감에 따라 실리콘의 격자가 흔들리는 Lattice Scattering이 되고, 채널로의 전자 이동을 방해하기 때문이다. 이는 Ron저항이 커지는 것이므로, 전류가 감소하게 된다.

 Off Current는 Subthreshold Leakage와 같다고 볼 수 있는데, Threshold Voltage가 감소할 경우 지수적으로 증가하게 된다.

 

참고 :

https://blog.naver.com/klp0712/221076148285

반도체공학[2] - GIDL, Subthreshold Leakage, Thermal Characteristic

https://amanan1004.tistory.com/23?category=1008094

누설전류(leakage current)에 대해 알아보자