1、亚阈值晶体管：概念与技术

亚阈值晶体管：概念与技术

1. 引言

随着电池供电的便携式应用快速增长，如个人数字助理、手机和其他通信设备等高效节能系统的市场需求显著增加。为了满足这一需求，晶体管尺寸和电源电压不断缩小。然而，随着晶体管尺寸在每个技术节点上不断缩小以提高功能和性能，各种泄漏问题也随之增加，如亚阈值泄漏电流、栅极泄漏以及通过源/漏 - 衬底结的带间隧穿（BTBT）电流等。这些泄漏问题会降低器件性能，并阻碍进一步的缩小。

过去已经进行了大量研究来解决这些问题，如降低开关频率、开发新的流水线架构、连接方式和逻辑优化等。但对于低于吉赫兹频率的超低功耗应用，如医疗和便携式仪器，这些方法仍不够。因此，人们提出了各种用于高效节能应用的设计技术，亚阈值晶体管就是其中之一。亚阈值晶体管在阈值电压以下或亚阈值区域工作，其亚阈值电流（在传统意义上被视为泄漏电流）可用于超低功耗应用。在亚阈值区域，晶体管具有理想的电压传输特性、高跨导和较低的栅极输入电容，因此更适合逻辑电路。它以性能为代价提供了功率效率，可能成为未来超低功耗数字和存储应用的选择。

2. 主要泄漏源及可能的预防方法

2.1 MOS 晶体管的泄漏机制

MOS 晶体管存在多种泄漏源，主要包括：
| 泄漏电流 | 说明 | 发生状态 |
| ---- | ---- | ---- |
| I1 | 反向偏置 PN 结泄漏，以及通过重叠栅极到漏 - 阱 PN 结的泄漏或漏 - 阱耗尽区的载流子产生 | 导通和截止状态 |
| I2 | 亚阈值泄漏，在阈值电压以下，通道未完全反转但有一些电荷，呈弱反转状态，电流主要为扩散电流 | 截止状态 |
| I3 | 氧化物隧穿电流