ผลกระทบต่อร่างกาย

ปรากฏการณ์บอดี้เอฟเฟกต์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อซับสเตรตไบแอสเอฟเฟกต์ ) เป็นปรากฏการณ์อันดับสองที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งเกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟกต์ ( MOSFET ) ซึ่งอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเกณฑ์ ของทรานซิสเตอร์ ( $V_{th}$ ) เกิดจากความแตกต่างของศักยภาพระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วของวัสดุ (ซับสเตรต) ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} ในขณะที่แบบจำลอง MOSFETลำดับแรกในอุดมคติถือว่าแหล่งกำเนิดและวัสดุเชื่อมต่อกับศักยภาพเดียวกัน^{[ 3 ]}ใน โทโพโลยี วงจรรวม หลายๆ แบบ แรงดันแหล่งกำเนิดจะเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิก ในขณะที่ซับสเตรตถูกรักษาไว้ที่ศักยภาพอ้างอิงโดย รวม ^{[ 4 ]}ความแตกต่างของแรงดันนี้จะเปลี่ยนแปลงสมดุลไฟฟ้าสถิตภายในของอุปกรณ์ ทำให้สภาวะการไบแอส ลักษณะการสวิตช์ และความสามารถในการขยายสัญญาณของอุปกรณ์เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

หลักการพื้นฐาน

การทำงานของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ใดๆ ขึ้นอยู่กับการปรับเปลี่ยนแถบพลังงานที่ส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และออกไซด์อย่างแม่นยำผ่านแรงดันเกตต่อปริมาตรที่ใช้จากภายนอก ( $V_{GB}$ ). ^{[ 1 ]}ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์สนามและทำให้เกิด การกลับ ขั้วการโดปของสารกึ่งตัวนำที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งทำให้สามารถสร้างช่องทางนำไฟฟ้าระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วระบายได้ อย่างไรก็ตาม มีเพียงเศษส่วนของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ภายนอกเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้เพื่อปรับเปลี่ยนแถบพลังงาน ในขณะที่ส่วนหนึ่งตกลงบนออกไซด์และแสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาปริมาณประจุคงที่ที่เปิดเผยในพื้นผิวเนื่องจากการสร้างชั้นกลับขั้ว^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 6 ]}

เมื่อแรงดันจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวกลางไม่เป็นศูนย์ ( $V_{SB}$ เมื่อใช้สนามไฟฟ้าแบบย้อนกลับ (reverse bias) พฤติกรรมทางไฟฟ้าของบริเวณช่องสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงไป กล่าวคือ ไบแอสแบบย้อนกลับระหว่างแหล่งกำเนิดและตัววัสดุจะทำให้ชั้นพร่อง (depletion layer) ใต้ชั้นออกไซด์ของเกตขยายกว้างขึ้น ทำให้ความหนาแน่นของไอออน โดปปิ้งที่ไม่ได้รับการชดเชย ซึ่งถูกเปิดเผยโดยผลของสนามไฟฟ้า เพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงดันตกคร่อมบริเวณออกไซด์ทั้งหมดมากขึ้น และทำให้ค่าความต้านทานสูงขึ้น $V_{GB}$ และด้วยเหตุนี้แรงดันเกณฑ์จึงจำเป็นต่อการสร้างช่องผกผันเมื่อเทียบกับ $V_{SB}=0$ เงื่อนไข^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 6 ]}

โครงสร้างทางกายภาพ

ใน อุปกรณ์ nMOS แบบ enhancement-mode นั้น เมื่อพิจารณาจากแรงดันระหว่างแหล่งกำเนิดกับตัวกลาง สามารถกำหนดเงื่อนไขที่เป็นไปได้สองประการดังนี้:

สภาวะเป็นกลาง ( $V_{SB}=0$ )
การไบแอสร่างกายแบบย้อนกลับ ( $V_{SB}>0$ )

สภาวะการเอนตัวไปข้างหน้า ( $V_{SB}<0$ ) มักถูกละเลยในฐานะระบอบการทำงานที่ถูกต้อง เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วไม่สามารถรับประกันรอยต่อpn ของแหล่งกำเนิด-ตัวกลางและระบาย-ตัวกลางในสถานะปิด ( ไดโอด ) จึงทำให้การทำงานของ MOSFET ที่ถูกต้องบกพร่อง ข้อโต้แย้งที่เทียบเท่ากันยังสามารถอนุมานได้สำหรับอุปกรณ์pMOS คู่ ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

สภาวะเป็นกลาง (V = 0)

{\displaystyle V_{GB}} — แผงด้านบน: ติดตั้งจากภายนอก $V_{GB}$ ทำให้เกิดการโค้งงอของแถบพลังงาน ( แผนภาพแถบพลังงาน ) และลดจำนวนรูที่บริเวณรอยต่อ ซึ่งเป็นคุณสมบัติเฉพาะตัว $E_{F}$ มีอยู่ในส่วนที่พิจารณา แผงด้านล่าง: การใช้งาน $V_{SB}$ การแยกระดับเฟอร์มิทำให้ต้องใช้พลังงานที่มากขึ้น $V_{GB}$ เพื่อสร้างช่องทางผกผัน^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

ภายใต้เงื่อนไขที่ไม่มีอคติต่อร่างกาย ( $V_{SB}=0$ ) และเมื่อพิจารณาว่าขั้วเดรนและซอร์สมีศักย์ไฟฟ้าสถิต เท่ากัน ( $V_{DS}=0$ ) ระดับเฟอร์ มิเดียวและคงที่ ( $E_{F}$ ) มีอยู่ทั่วโครงสร้างซับสเตรต-แชนเนล^{[ 5 ]}^{[ 7 ]}เพื่อสร้างช่องทางการนำไฟฟ้าระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวรับ พลังงานแบนด์จะต้องโค้งลงที่ส่วนต่อประสานเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์ เงื่อนไขการผกผันที่แข็งแกร่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อศักยภาพพื้นผิวเป็นไปตามสมการต่อไปนี้: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

$\phi _{s}=2|\phi _{F}|$

ที่ไหน ${\textstyle \phi _{s}}$ เรียกว่าศักยภาพเฟอร์มิแบบกลุ่ม (bulk Fermi potential) และนิยามได้ดังนี้:

$\phi _{s}={\frac {k_{B}T}{q}}\ln {\bigg (}{\frac {N_{A}}{n_{i}}}{\bigg )}$

ที่นี่, $k_{B}$ คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ $T$ คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ที่แสดงในหน่วยเคลวิน $q$ คือประจุพื้นฐาน $N_{A}$ คือความเข้มข้นของการเจือสารตัวรับในเนื้อวัสดุและ $n_{i}$ คือความเข้มข้นของตัวนำภายในของสารกึ่งตัวนำ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 6 ]}

ประจุผกผันที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสาน เนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนจากภายนอก $V_{GB}$ สามารถแสดงได้ดังนี้: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

$Q_{inv}=C_{ox}{\bigg (}V_{GB}-V_{FB}-\phi _{s}-{\frac {Q_{dep}(\phi _{s})}{C_{ox}}}{\bigg )}=C_{ox}(V_{GS}-V_{th0})$

ที่ไหน $C_{ox}$ คือค่าความจุของออกไซด์ที่ประตูต่อหน่วยพื้นที่ ${\textstyle V_{FB}}$ คือแรงดันไฟแบนด์ราบของอุปกรณ์ ${\textstyle Q_{dep}}$ คือความหนาแน่นของประจุที่ลดลงซึ่งปรากฏอยู่ในพื้นผิว ( ชั้นลดลง ) ในขณะที่ $V_{th0}$ ถูกกำหนดให้เป็นแรงดันเกณฑ์ของโครงสร้างที่ไบแอสพื้นผิวเป็นศูนย์ และบ่งชี้ถึงค่าต่ำสุด ${\textstyle V_{GB}}$ จำเป็นต้องได้รับประจุผกผัน (ช่อง) ที่มีนัยสำคัญ โปรดทราบว่า เนื่องจากขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วหลักมีศักย์ไฟฟ้าสถิตเท่ากัน สมการจึงเป็นดังนี้ ${\textstyle V_{GB}=V_{GS}}$ ถือ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

การไบแอสตัวถังแบบย้อนกลับ (V > 0)

เมื่อมีการใช้แรงดันบวกจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวกลาง รอยต่อ pn ที่เกิดจาก ซับสเตรต ชนิด pและบริเวณแหล่งกำเนิด n+ จะเข้าสู่ สภาวะ ไบแอสย้อน กลับมากขึ้น ไบแอสภายนอกนี้ทำให้ระบบหลุดออกจากสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ส่งผลให้ ระดับเฟอร์มิที่ไม่ซ้ำกันแยกออกเป็นสองระดับควาซีเฟอร์มิที่ แตกต่างกัน : ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]}

$E_{Fp}$ : ระดับควาซีเฟอร์มิสำหรับโฮลซึ่งยึดโยงกับศักยภาพของพื้นผิว
$E_{Fn}$ : ระดับกึ่งเฟอร์มิสำหรับอิเล็กตรอนซึ่งถูกดึงลงมาโดยศักยภาพที่สูงกว่าของแหล่งกำเนิด

เนื่องจากศักยภาพของแหล่งกำเนิดสูงกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุส่วนใหญ่ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในแหล่งกำเนิดจึงลดลง การเปลี่ยนแปลงนี้จึงเกิดขึ้น $E_{Fn}$ ในแหล่งกำเนิดลงมาโดยสัมพันธ์กับ $E_{Fp}$ ในปริมาณมากเท่ากับ $qV_{SB}$ ในสถานการณ์นี้ แถบพลังงานจะต้องโค้งงอมากกว่าที่สภาวะสมดุลอย่างมาก เพื่อ "ไล่ตาม" ระดับควาซีเฟอร์มิที่เปลี่ยนไปของแหล่งกำเนิด และด้วยวิธีนี้จึงเติมเต็มแถบนำไฟฟ้าซึ่งหมายถึงศักย์ไฟฟ้าพื้นผิวเกณฑ์ที่สูงขึ้น $\phi _{s}$ กำหนดโดยความเท่าเทียมกันทั่วไปมากขึ้น: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

$\phi _{s}=2|\phi _{F}|+V_{SB}$

เมื่อพิจารณาถึงศักยภาพพื้นผิวที่สูงขึ้นที่จำเป็น ปริมาณประจุที่รวบรวมที่ส่วนต่อประสานออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์จะกลายเป็น: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

$Q_{inv}=C_{ox}{\bigg (}V_{GB}-V_{FB}-2|\phi _{F}|-V_{SB}-{\frac {Q_{dep}(2|\phi _{F}|+V_{SB})}{C_{ox}}}{\bigg )}$

ซึ่งสามารถแสดงออกมาในรูปแบบที่สะดวกกว่าได้ในรูปของฟังก์ชันของแรงดันเกณฑ์ $V_{th0}$ เช่น: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

$Q_{inv}=C_{ox}{\bigg (}V_{GS}-V_{th0}-{\frac {Q_{dep}(2|\phi _{F}|+V_{SB})-Q_{dep}(2|\phi _{F}|)}{C_{ox}}}{\bigg )}=C_{ox}(V_{GS}-V_{th})$

ที่ไหน $V_{th}$ เป็นค่าทั่วไปของแรงดันเกณฑ์ของอุปกรณ์เมื่อมีการไบแอสตัวถัง

ตามที่คาดไว้ ค่าเกณฑ์ที่ได้จะถูกปรับเปลี่ยนโดยประจุเพิ่มเติมที่ปรากฏบนพื้นผิวโดยแรงดันจากแหล่งกำเนิดไปยังตัววัสดุ ในขณะที่สมการสุดท้ายช่วยให้สามารถหาค่าแสดงออกที่ครอบคลุมมากขึ้นสำหรับ $V_{th}$ เป็นฟังก์ชันของ $V_{SB}$ โดยไม่มีสมมติฐานที่แท้จริงเกี่ยวกับโปรไฟล์การเจือปนที่ใช้ในเนื้อวัสดุ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

แรงดันเกณฑ์

สำหรับพื้นผิวที่มีการเจือสารอย่างสม่ำเสมอ ความสัมพันธ์ของแรงดันเกณฑ์กับแรงดันจากแหล่งกำเนิดไปยังพื้นผิวสามารถจำลองได้ทางวิเคราะห์โดยใช้สมการผลของตัว^{[ 1 ]}^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

$V_{th}=V_{th0}+\gamma {\bigg (}{\sqrt {2|\phi _{F}|+V_{SB}}}-{\sqrt {2|\phi _{F}|}}{\bigg )}$

ที่ไหน $\gamma$ ค่าสัมประสิทธิ์ผลกระทบต่อร่างกายแสดงได้ดังนี้:

$\gamma ={\frac {\sqrt {2\epsilon _{si}qN_{A}}}{C_{ox}}}$

ที่นี่, $\เอปไซลอน _{si}$ คือ ค่า ^สภาพยอมของซิลิคอน [ ^{1 ] [}^{4 ] [}^{8 ]}

สูตรนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกที่น่าสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากเน้นให้เห็นว่าพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตและเทคโนโลยีมีอิทธิพลต่อแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แสดงให้เห็นว่าผลกระทบจากร่างกายแปรผันตาม:

ความเข้มข้นของสารกระตุ้น ( $N_{A}$ ): การเติมสารเจือปนในสารตั้งต้นในปริมาณที่สูงขึ้นจะเพิ่มประจุที่ลดลง ซึ่งอาจทำให้ผลกระทบต่อร่างกายรุนแรงขึ้น
ความหนาของออกไซด์ ( $t_{ox}$ ): ฝังอยู่ภายใน ${\textstyle C_{ox}={\frac {\epsilon _{ox}}{t_{ox}}}}$ ออกไซด์ที่บางกว่าจะเพิ่มการควบคุมเกตบนช่องสัญญาณ ทำให้ป้องกันการเปลี่ยนแปลงของตัวถังที่ไม่พึงประสงค์ได้^{[ 1 ]}^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}^{[ 8 ]}

แบบจำลองสัญญาณขนาดเล็ก

{\displaystyle g_{mb}} — MOSFET รุ่นสัญญาณขนาดเล็ก: ค่าการนำไฟฟ้าของตัวถัง $g_{mb}$ จำลองเป็น VCCS ที่ขนานกับเกตหลัก $g_{m}$ และจากมุมมองของสัญญาณ มันก็มีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกัน เทอร์มินัลแบบ Bulk ไม่ได้แสดงไว้อย่างชัดเจน

ในวงจรอนาล็อกการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าโดยรวมจะปรับเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของอุปกรณ์ และส่งผลให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขั้วเดรนเปลี่ยนแปลงไปด้วย $I_{D}$ ) ในลักษณะที่คล้ายคลึงกับขั้วเกต พฤติกรรมนี้สามารถจำลองได้ผ่าน วงจร สมมูลสัญญาณขนาดเล็กโดยการแนะนำแหล่งกำเนิดกระแส ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวแหล่งกำเนิด^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 8 ]}

{\displaystyle V_{SB}} — แรงดันเกณฑ์ของอุปกรณ์ nMOS เป็นฟังก์ชันของแรงดันระหว่างตัวถังกับแหล่งกำเนิดในเทคโนโลยี MOS ทั่วไป $V_{SB}$ เพิ่มผลกระทบต่อ $V_{th}$ มีข้อจำกัดเนื่องจากความสัมพันธ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่เชื่อมโยงทั้งสองเข้าด้วยกัน $\eta$ แสดงด้วยกราฟเป็นเส้นสัมผัสกับจุดพล็อตที่ $V_{SB}=0$ .

กล่าวโดยละเอียดแล้ว สามารถกำหนดค่าการนำไฟฟ้า ของร่างกายได้ ดังนี้:

$g_{mb}={\frac {\partial {I_{D}}}{\partial {V_{BS}}}}={\frac {\partial {V_{th}}}{\partial {V_{BS}}}}{\frac {\partial {I_{D}}}{\partial {V_{th}}}}=\eta g_{m}$

ที่ไหน $g_{m}$ คือค่าทรานส์คอนดักแทนซ์ของเกตสัญญาณขนาดเล็กของ MOSFET และ $\eta$ (โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.1 ถึง 0.3) ^{[ 8 ]}แสดงถึงอัตราส่วนระหว่างค่าการนำไฟฟ้าของตัวอุปกรณ์กับค่าเทียบเท่าเกต นิพจน์นี้สามารถหาได้โดยตรงจากสมการผลของตัวอุปกรณ์ ซึ่งให้ผลลัพธ์ดังนี้:

$\eta ={\frac {\partial {V_{th}}}{\partial {V_{BS}}}}={\frac {\gamma }{2{\sqrt {|2\phi _{F}|+V_{SB}}}}}={\frac {C_{dep}}{C_{ox}}}{\bigg |}_{V_{SB}=0}$

เป็นที่น่าสังเกตว่า $\eta$ ไม่เพียงแต่เป็นวิธีในการวัดปริมาณการมีส่วนร่วมของร่างกายต่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเท่านั้น แต่ยังเป็นการวัดความไวต่อแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์อย่างกะทัดรัดอีกด้วย $V_{SB}$ ความแปรผัน^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 8 ]}

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าการนำไฟฟ้าของเกต แต่ค่าการนำไฟฟ้าของตัวถังจะให้เส้นทางแยกเพื่อปรับกระแสเดรน ทำให้สามารถใช้ซับสเตรตเป็นอินพุตทางเลือกสำหรับการทำงานและการควบคุมสัญญาณได้^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 8 ]}

ผลกระทบต่อการออกแบบวงจรรวม

ในอดีต ผลกระทบจากน้ำหนักของตัวเครื่องถูกจัดอยู่ในประเภทของผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งก่อให้เกิดข้อจำกัดในการออกแบบอย่างมากทั้งในระบบดิจิทัลและอนาล็อก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ข้อเสียที่พบบ่อยที่สุดที่เกิดจากน้ำหนักของตัวเครื่อง ได้แก่:

ประสิทธิภาพลดลงในวงจรอนาล็อก : ในการกำหนดค่าแบบ common-source ที่เสื่อมสภาพ หรือในวงจรย่อย source follower ผลกระทบของซับสเตรตมีส่วนทำให้การขยายแรงดันโดยรวมของการกำหนดค่าลดลง และทำให้ความเป็นเชิงเส้นแย่ลงเนื่องจากการพึ่งพาที่ไม่เป็นเชิงเส้นของ $V_{th}$ [ ¹^]^[⁴^]^[³^]^[⁸^]

ประสิทธิภาพการทำงานลดลงในวงจรดิจิทัล:ในเกตตรรกะ (เช่น เกต NAND / NORหรือตรรกะทรานซิสเตอร์แบบส่งผ่าน ) เครือข่ายพูลอัพหรือพูลดาวน์ใช้ทรานซิสเตอร์ที่ต่ออนุกรม ในโครงสร้างเหล่านี้ อุปกรณ์บางตัวไม่ได้รับแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวกลางเป็นศูนย์ ( $V_{SB}=0$ ) การปรับแรงดันเกณฑ์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากผลของตัวถังจะลดแรงดันโอเวอร์ไดรฟ์ ที่ใช้ได้ ของอุปกรณ์ ทำให้ความล่าช้าในการแพร่กระจาย ลดลง และลดความเร็วในการสลับของเกตตรรกะ^{[ 1 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

แอปพลิเคชันขั้นสูงและสถาปัตยกรรมสมัยใหม่

ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ความสามารถในการปรับแรงดันเกณฑ์โดยเจตนาผ่านขั้วต่อซับสเตรตได้เปลี่ยนผลกระทบของตัวถังจากปรากฏการณ์ปรสิตที่ไม่พึงประสงค์ให้กลายเป็นเครื่องมือออกแบบทางเลือกที่สามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงการออกแบบชิปได้^{[ 4 ]}^{[ 8 ]}

การควบคุมประตูหลังในเทคโนโลยี FD-SOI

{\displaystyle SiO_{2}} — โครงสร้างของอุปกรณ์ FD-SOI nMOS เพิ่มเติม $SiO_{2}$ ชั้นดังกล่าวทำหน้าที่เป็นกล่องแยกส่วน ทำให้สามารถปรับไบแอสของตัวถังได้อย่างอิสระ

ในเทคโนโลยีซิลิคอนบนฉนวนแบบพร่องอย่างสมบูรณ์ ( FD-SOI ) ช่องสัญญาณทรานซิสเตอร์ถูกสร้างขึ้นบนชั้นซิลิคอนแบบพร่องอย่างสมบูรณ์ที่บางมาก ซึ่งแยกทางไฟฟ้าออกจากพื้นผิวโดยชั้น BOX ( buried oxide ) ในกรณีนี้ พื้นผิวทำหน้าที่เป็นเกตที่สองที่แยกออกจากกันสำหรับ MOSFET และมักเรียกว่า back-gate ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

การใช้ศักย์ไฟฟ้ากับประตูหลังจะทำให้แถบพลังงานภายในช่องเลื่อนขึ้นในแนวตั้ง ซึ่งเป็นการปรับเปลี่ยน $V_{th}$ มีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์ระนาบขนาดใหญ่อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สถาปัตยกรรมนี้ช่วยให้เกิดการไบแอสตัวถังแบบไดนามิก (DBB) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของบล็อกดิจิทัล FD-SOI อย่างมากผ่านทาง: ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

การเอนตัวไปข้างหน้า (FBB): การใช้แรงเอนไปข้างหน้ากับประตูหลัง ( $V_{SB}<0$ ) ลดขนาดของเอฟเฟกต์ซับสเตรต ส่งผลให้โอเวอร์ไดรฟ์ของโครงสร้าง MOS เพิ่มขึ้น ทำให้อุปกรณ์มีพฤติกรรมการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นและประสิทธิภาพการสวิตช์ของเกตตรรกะดีขึ้น[ 12 ^{]สิ่งสำคัญ}คือต้องสังเกตว่าวิธีการนี้เป็นไปได้ก็ต่อเมื่อคำนึงถึงข้อจำกัดที่เกิดจากการเปิดใช้งานไดโอดปรสิตแหล่งกำเนิด-บัลค์และเดรน-บัลค์ของอุปกรณ์อย่างระมัดระวัง
การไบแอสตัวถังแบบย้อนกลับ (RBB): การใช้ไบแอสแบบย้อนกลับ ( $V_{SB}>0$ ) ทำให้แรงดันเกณฑ์เพิ่มขึ้น $V_{th}$ ลด กระแส รั่วไหลต่ำกว่าเกณฑ์ของอุปกรณ์ที่ปิดอยู่ และอนุญาตให้บล็อกตรรกะเข้าสู่สถานะสแตนด์บายพลังงานต่ำมาก^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

วงจรพลังงานต่ำมาก (ULP) และวงจรแรงดันต่ำมาก (ULV)

สำหรับแอปพลิเคชันที่มุ่งเป้าไปที่IoT (อินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ) ^{[ 13 ]}เซ็นเซอร์ชีวการแพทย์แบบฝังตัวหรือระบบเก็บเกี่ยวพลังงาน^{[ 13 ]}แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายจะลดลงใกล้หรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่กำหนด ( $V_{DD}$ ค่าต่างๆ ตั้งแต่ $0.3V$ และ $0.5V$ ). ^{[ 14 ]}ในสภาวะสุดขั้วนี้ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายไม่เอื้ออำนวยต่อโทโพโลยีแบบขับเคลื่อนด้วยเกตแบบดั้งเดิม เนื่องจากไม่สามารถรับประกันไดนามิกอินพุตที่ยอมรับได้^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}เพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดนี้ สัญญาณอินพุตสามารถนำไปใช้กับขั้วต่อตัวถังโดยตรง ในขณะที่เกตถูกยึดไว้ที่ไบแอส DC คงที่ ทำให้รักษาอุปกรณ์ให้อยู่ในสภาวะอินเวอร์ชั่นอ่อน [ ^{14 ] วิธี}การนี้ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าการออกแบบ MOSFET แบบขับเคลื่อนด้วยตัวถัง อาศัยค่าการนำไฟฟ้าของตัวถังอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นจึงต้องมีบ่อเฉพาะสำหรับตัวถังเพื่อรับประกันการแยกออกจากพื้นผิวของชิป แม้ว่าโทโพโลยีเหล่านี้จะนำมาซึ่งข้อเสียที่สำคัญ โดยส่วนใหญ่เกิดจากค่าการนำไฟฟ้าที่อ่อนกว่าเมื่อเทียบกับการทำงานของเกตหลัก แต่ก็มีศักยภาพที่จะทำให้สามารถแกว่งอินพุตได้กว้าง (เกือบถึงราง) ในขณะที่ยังคงรักษาการทำงานเชิงเส้นไว้ได้^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}ข้อเสียบางประการเหล่านี้สามารถลดทอนได้โดยการเพิ่มอัตราขยายแรงดันโดยรวมของวงจรผ่านโครงสร้างแบบแคสเคด หรือโดยการใช้ เทคนิค การป้อนกลับเชิงบวกเฉพาะที่ฝังอยู่ในวงจรป้อนเข้า^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

ดูเพิ่มเติม

ลิงก์ภายนอก

หมายเหตุเกี่ยวกับแรงดันเกณฑ์ของ MOSFET
หมายเหตุเกี่ยวกับผลกระทบของ MOSFET ต่อตัวถัง
การบรรยายเรื่องการออกแบบวงจรอนาล็อก โดย เบห์ซาด ราซาวี
บทนำสู่นาโนอิเล็กทรอนิกส์ MIT edu - อุปกรณ์อิเล็กตรอน