Verschijnsel waarbij een sperspanning tussen source en substraat (body) de lading in de uitputtingslaag doet toenemen en de drempelspanning verhoogt. Ook body-effect genoemd. Soms gebruikt om de drempel bij te stellen.
Japanse benaming: 基板バイアス効果
“Substraatbiaseffect (body-effect)” komt voor in 3 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. MOSFET.
Vakgebied: MOSFET
In een n-kanaal-MOSFET moet de gate eerst de negatieve lading van het depletiegebied eronder dragen voordat er een inversielaag kan ontstaan. Wanneer de source-bodyjunctie in sperrichting staat (VSB groter dan nul, dus de body negatief ten opzichte van de source), wordt het depletiegebied breder en bevat het meer lading, zodat er een hogere gatespanning nodig is om inversie te bereiken. De bekende formule uit het leerboek is Vth = Vth0 + γ(√(2φF + VSB) − √(2φF)), waarbij de body-effectcoëfficiënt γ = √(2qεSi·NA)/Cox toeneemt bij zwaardere substraatdotering en bij een dikker gateoxide.
In een stapel nMOS-transistors in serie, zoals het pull-downnetwerk van een NAND-poort, ligt alleen bij het onderste device de source aan massa. De bovenste devices zien een verhoogde sourcepotentiaal, zodat hun Vth stijgt en ze minder stroom geleiden. Bij een enkele nMOS-pass-transistor met de gate op VDD kan de uitgang maar tot ongeveer VDD − Vth stijgen, en omdat Vth toeneemt naarmate de source stijgt, ligt het eindniveau nog lager. In een sourcevolger voegt het body-effect een back-gate-transconductantie gmb toe die de spanningsversterking nog verder onder 1 drukt.
Analoge ontwerpers drukken het body-effect vaak uit als de verhouding gmb/gm, die voor bulktransistors afhankelijk van dotering en instelling meestal ruwweg tussen 0,1 en 0,3 ligt. Bij een sourcevolger in een gangbaar p-substraatproces, waarin de nMOS-body aan massa ligt, is de versterking beperkt tot ongeveer gm/(gm + gmb), zelfs met een ideale belasting. Door de transistor in een eigen well te plaatsen en de body met de source te verbinden verdwijnt het effect, ten koste van extra oppervlak en wellcapaciteit.
Dezelfde fysica wordt ook bewust ingezet. Reverse body bias verhoogt Vth om de subthreshold-lekstroom in standby te verminderen, en forward body bias verlaagt Vth om snelheid te winnen; zo kunnen ontwerpers ook na fabricage procesvariatie compenseren. Hoe goed deze knop werkt, hangt af van de devicestructuur. In FinFET's wordt de dunne fin vrijwel volledig door de gate bestuurd, zodat body biasing weinig effect heeft, terwijl FD-SOI-transistors (fully depleted silicon-on-insulator) met een dun buried oxide een groot instelbereik via back-bias bieden.
Antwoord: A. Neemt toe
Wanneer tussen source en substraat een spanning in sper wordt aangelegd, breidt de uitputtingslaag onder de gate zich uit en neemt de lading in de uitputtingslaag toe, zodat een grotere gatespanning nodig is om die te compenseren. De drempelspanning neemt daarom toe (substraatvoorspanningseffect, body-effect). Bij de bovenste transistor van een serieschakeling stijgt de sourcepotentiaal, zodat Vth door dit effect toeneemt en de transistor trager wordt. Omgekeerd bestaat er ook een methode waarbij met de substraatspanning Vth wordt ingesteld om lekstroom te verminderen.
Antwoord: A. De spanningsversterking is iets kleiner dan 1 en de uitgangsimpedantie is laag
Bij een source-volger volgt de sourcespanning de gatespanning minus VGS, zodat de spanningsversterking iets kleiner is dan 1 (gmRs/(1 + gmRs)) en in fase is. Bij het body-effect daalt de versterking verder. De ingangsimpedantie is vrijwel oneindig omdat het de gate betreft, en de uitgangsimpedantie is met ongeveer 1/gm laag, zodat de schakeling als buffer wordt gebruikt. Ze komt overeen met de emittervolger, maar de niveauverschuiving (VGS) is groter dan VBE en varieert ook meer.
Ja. Beide namen beschrijven de verandering van de drempelspanning van een MOSFET door een spanning tussen source en body (substraat); sperspanning verhoogt Vth en een spanning in doorlaatrichting verlaagt die.
Als de uitgang (source) beweegt, verandert de source-bodyspanning en verschuift Vth, wat werkt als een tweede transconductantie gmb die het signaal tegenwerkt. De versterking wordt ongeveer gm/(gm + gmb) in plaats van 1 te benaderen.
Door de body van elke transistor met zijn eigen source te verbinden verdwijnt VSB, maar dan moet het device in een aparte well liggen. Dat kost oppervlak en is in een bepaald proces alleen mogelijk voor het transistortype dat in een well ligt.
De drempelspanning neemt daarom toe (substraatvoorspanningseffect, body-effect).
Wat gebeurt er met de drempelspanning van een n-kanaal MOSF…Bij het body-effect daalt de versterking verder.
Welke eigenschap van de source-volger (common-drain) schake…Bovendien neemt bij stijgende sourcepotentiaal door het body-effect ook Vth toe, zodat de werkelijk bereikte spanning iets lager ligt.
Hoe hoog stijgt de uitgangsspanning ongeveer in een pass-tr…Drempelspanning (threshold voltage) Uitputtingslaag (depletion layer) Emittervolger (emitter follower) CMOS DIBL Doorschietstroom (shoot-through-stroom) Flatbandspanning GIDL (gate-induced drain leakage) Inversielaag Kanaallengtemodulatie