تأثيرات الجسم

يُعد تأثير الجسم ( المعروف أيضًا باسم تأثير انحياز الركيزة ) تأثيرًا غير مرغوب فيه من الدرجة الثانية موجودًا في ترانزستورات تأثير المجال ( MOSFET ) ويصف التغير في جهد عتبة الترانزستور (ينتج هذا عن فرق جهد بين طرفي المصدر والركيزة. [ 1 ] [ 2 ] في حين تفترض نماذج MOSFET المثالية من الدرجة الأولى أن المصدر والركيزة مرتبطان بنفس الجهد، [ 3 ] في العديد من تصميمات الدوائر المتكاملة ، يتغير جهد المصدر ديناميكيًا بينما تُحفظ الركيزة عند جهد مرجعي عام. [ 4 ] يؤدي فرق الجهد هذا إلى تغيير التوازن الكهروستاتيكي الداخلي للجهاز، مما يُغير بشكل كبير حالة تحيز الجهاز وخصائص التبديل وقدرات التضخيم. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
المبدأ الأساسي
يعتمد تشغيل أي ترانزستور ذي تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة على التعديل الدقيق لنطاقات الطاقة عند واجهة أشباه الموصلات والأكسيد من خلال جهد خارجي مطبق بين البوابة والجسم ([ 1 ] تُعرف هذه الظاهرة بتأثير المجال ، وهي تُتيح انعكاس التطعيم في أشباه الموصلات عند السطح البيني، مما يسمح بإنشاء قناة موصلة بين طرفي المصدر والمصب. مع ذلك ، لا يُستخدم سوى جزء من الجهد المُطبق خارجيًا لتعديل نطاقات الطاقة، بينما يتسرب جزء آخر عبر طبقة الأكسيد، ويعتمد هذا الجزء على كمية الشحنة الثابتة المكشوفة في الركيزة نتيجةً لتكوّن طبقة الانعكاس. [ 1 ] [ 2 ] [ 6 ]
عندما يكون جهد المصدر إلى الكتلة غير صفري (عند تطبيق جهد عكسي، يتغير السلوك الكهربائي لمنطقة القناة. وبشكل أدق، يؤدي الانحياز العكسي بين المصدر والجسم إلى توسيع طبقة الاستنزاف أسفل أكسيد البوابة، مما يزيد من كمية أيونات التطعيم غير المعوضة المعرضة لتأثير المجال . ويؤدي هذا إلى انخفاض أكبر في الجهد عبر منطقة الأكسيد بأكملها. ونتيجة لذلك، يصبح التيار أعلى.وبالتالي، فإن جهد العتبة مطلوب للسماح بتكوين قناة الانعكاس بالنسبة إلىالشرط. [ 1 ] [ 2 ] [ 6 ]
الهيكل المادي
في جهاز nMOS ذي وضع التحسين ، فيما يتعلق بجهد المصدر إلى المادة الأساسية، من الممكن تحديد حالتين محتملتين:
- حالة محايدة ()
- التحيز العكسي للجسم ()
شرط انحياز الجسم الأمامي (يُهمل هذا الوضع عادةً كنظام تشغيل صالح لأنه يفشل عمومًا في منع تدفق التيارات في وصلات pn بين المصدر والركيزة وبين المصرف والركيزة ، مما يُعيق عمل MOSFET بشكل صحيح. ويمكن اشتقاق حجة مماثلة لجهاز pMOS المزدوج . [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]
الحالة المحايدة (V SB = 0)

في ظل حالة انعدام التحيز الجسدي () وعندما يتم اعتبار طرفي المصرف والمصدر عند نفس الجهد الكهروستاتيكي ()، مستوى فيرمي واحد وثابت (توجد هذه الظاهرة في جميع أنحاء بنية الركيزة والقناة. [ 5 ] [ 7 ] ولإنشاء قناة توصيل إلكتروني بين المصدر والمصب، يجب أن تنحني نطاقات الطاقة نحو الأسفل عند سطح التلامس بين أشباه الموصلات والأكسيد. تُعرف هذه الحالة بشرط العتبة للانعكاس، حيث تصل كثافة الإلكترونات عند سطح التلامس إلى نفس قيمة تطعيم الثقوب في المادة الأساسية، وتتحقق عندما يحقق جهد السطح المعادلة التالية: [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]
أين يُطلق عليه اسم جهد فيرمي الحجمي، ويُعرَّف على النحو التالي:
هنا،هو ثابت بولتزمان ،هل درجة الحرارة المطلقة معبر عنها بالكلفن ؟ هي الشحنة الأولية ، يمثل تركيز تطعيم مستقبلات الركيزة في الكتلة و يمثل تركيز حاملات الشحنة الذاتية لأشباه الموصلات. [ 1 ] [ 2 ] [ 6 ]
الشحنة العكسية المستحثة عند السطح البيني، نتيجة للجهد المطبق خارجياًويمكن التعبير عنها على النحو التالي: [ 1 ] [ 2 ]
أينهي سعة أكسيد البوابة لكل وحدة مساحة،يمثل جهد النطاق المسطح للجهاز،تمثل كثافة شحنة الاستنزاف المعرضة في الركيزة ( طبقة الاستنزاف )، بينما يُعرَّف بأنه جهد العتبة للهيكل عند انحياز الركيزة الصفري، ويشير إلى الحد الأدنىيلزم ذلك للحصول على شحنة انعكاس ملحوظة (قناة). لاحظ أنه بما أن طرفي المصدر والحجم يقعان عند نفس الجهد الكهروستاتيكي، فإن المعادلةيحمل. [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
التحيز العكسي للجسم (V SB > 0)
عند تطبيق جهد موجب بين المصدر والركيزة، يدخل وصلة pn المتكونة من الركيزة من النوع p ومنطقة المصدر من النوع n+ في حالة انحياز عكسي أعمق . يدفع هذا الانحياز الخارجي النظام خارج حالة التوازن الديناميكي الحراري ، مما يؤدي إلى انقسام مستوى فيرمي الفريد إلى مستويين شبه فيرمي متميزين : [ 5 ] [ 7 ]
- : مستوى شبه فيرمي للثقوب ، المرتبط بجهد الركيزة.
- : مستوى شبه فيرمي للإلكترونات ، والذي يتم سحبه لأسفل بواسطة الجهد الأعلى للمصدر.
بما أن جهد المصدر أعلى بالنسبة للمادة الأساسية، فإن مستوى طاقة الإلكترونات في المصدر ينخفض. هذا التحولفي المصدر نزولاً بالنسبة إلىفي الجزء الأكبر بمقدار يساويفي هذه الحالة، يجب أن تنحني نطاقات الطاقة بشكل أكبر بكثير مما كانت عليه عند حالة التوازن "لمواكبة" مستوى شبه فيرمي المُزاح للمصدر، وبالتالي ملء نطاق التوصيل بنفس كمية حاملات الشحنة. ويترجم هذا إلى جهد سطحي عتبة أعلى.محددة بالمساواة الأكثر عمومية: [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]
بالنظر إلى الجهد السطحي الأعلى المطلوب، تصبح كمية الشحنة المجمعة عند واجهة أكسيد أشباه الموصلات كما يلي: [ 1 ] [ 2 ]
ويمكن التعبير عن ذلك بطريقة أكثر ملاءمة كدالة لجهد العتبةكما يلي: [ 1 ] [ 2 ]
أينهو التعبير العام عن جهد العتبة للجهاز في وجود انحياز الجسم.
وكما هو متوقع، يتم تعديل العتبة الناتجة بواسطة الشحنة الإضافية المعرضة في الركيزة بفعل جهد المصدر إلى الجسم، بينما تسمح المعادلة الأخيرة باشتقاق تعبير أكثر شمولاً لـكدالة لـ، دون أي افتراض فعلي بشأن توزيع الشوائب الموجودة في المادة الصلبة. [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]
جهد العتبة
بالنسبة للركيزة المشوبة بشكل موحد، يمكن نمذجة اعتماد جهد العتبة على جهد المصدر إلى الركيزة تحليليًا بواسطة معادلة تأثير الجسم [ 1 ] [ 4 ] [ 6 ].
أينهل يُعبّر عن معامل تأثير الجسم على النحو التالي:
هنا،هي سماحية السيليكون . [ 1 ] [ 4 ] [ 8 ]
تُبرز هذه الصيغة كيف تُحدد المعايير الهندسية والتكنولوجية تأثير الجسم على جهد العتبة. وعلى وجه التحديد، تُوضح أن تأثير الجسم يتناسب طرديًا مع:
- تركيز المنشطات (): يؤدي ارتفاع نسبة التشويب في الركيزة إلى زيادة شحنة الاستنزاف، مما قد يؤدي إلى تكثيف تأثير الجسم؛
- سمك الأكسيد (): مضمنة فييؤدي استخدام طبقة أكسيد أرق إلى زيادة التحكم في البوابة على القناة، وبالتالي حمايتها من التغيرات غير المرغوب فيها في بنية الجسم. [ 1 ] [ 4 ] [ 6 ] [ 8 ]
نموذج الإشارة الصغيرة

في الدوائر التناظرية ، تؤدي التغيرات في جهد القاعدة إلى تعديل جهد العتبة للجهاز، وبالتالي تعديل تيار المصرف الخاص به () بطريقة مشابهة لطرف البوابة. يمكن نمذجة هذا السلوك من خلال دائرة مكافئة للإشارة الصغيرة عن طريق إدخال مصدر تيار يتم التحكم فيه بالجهد ويتم تشغيله بواسطة جهد الجسم-المصدر. [ 3 ] [ 4 ] [ 8 ]

وبشكل أدق، يمكن تعريف ناقلية الجسم على النحو التالي:
أينيمثل معامل التوصيلية للبوابة في حالة الإشارة الصغيرة لترانزستور MOSFET و(تتراوح عادةً بين 0.1 و 0.3) [ 8 ] تمثل النسبة بين ناقلية الجسم وناقلية البوابة المكافئة لها. ويمكن اشتقاق تعبيرها مباشرةً من معادلة تأثير الجسم، مما ينتج عنه:
ملاحظة ذلكلا يوفر هذا فقط طريقة لتحديد مساهمة الجسم في تيار التصريف، بل هو أيضًا مقياس موجز لحساسية جهد العتبة لأيالتباين. [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 8 ]
تأثير ذلك على تصميم الدوائر المتكاملة
تاريخيًا، يُصنف تأثير الجسم كتأثير طفيلي غير مثالي، مما يُفرض قيودًا تصميمية شديدة في كلٍ من التصميم الرقمي والتناظري. وبشكل أدق، فإن أكثر العيوب شيوعًا الناتجة عن تحيز الجسم هي:
- انخفاض الأداء في الدوائر التناظرية : في التكوينات الأساسية ذات المصدر المشترك أو في الدوائر الفرعية لمتابع المصدر، يساهم تأثير الركيزة في خفض كسب الجهد الكلي للتكوينات وتدهور الخطية بسبب الاعتماد غير الخطي لـ[ 1 ] [ 4 ] [ 3 ] [ 8 ]
- تدهور الأداء في الدوائر الرقمية : في البوابات المنطقية (مثل بوابات NAND / NOR أو منطق الترانزستورات المارة )، تستخدم شبكات السحب لأعلى أو السحب لأسفل ترانزستورات موصولة على التوالي. في هذه الهياكل، لا تتعرض بعض الأجهزة لجهد صفري بين المصدر والجسم (يؤدي تعديل جهد العتبة الناتج عن تأثير الجسم إلى تقليل جهد التشغيل الزائد المتاح للجهاز، مما يؤدي إلى تدهور تأخيرات الانتشار وتقليل سرعة تبديل البوابات المنطقية. [ 1 ] [ 9 ] [ 10 ]
تطبيقات متقدمة وهياكل حديثة
في الإلكترونيات الدقيقة الحديثة، حوّلت القدرة على تعديل جهد العتبة عمدًا عبر طرف الركيزة تأثير الجسم من ظاهرة طفيلية غير مرغوب فيها إلى أداة تصميم بديلة يمكن استغلالها عمدًا لتحسين تصميم الرقاقة. [ 4 ] [ 8 ] وبشكل أدق، على الرغم من أن تأثير الجسم عادةً ما يكون ضئيلاً مقارنةً بموصلية البوابة، إلا أنه يوفر مسارًا منفصلاً لتعديل تيار المصرف، مما يسمح باستخدام الركيزة كمدخل بديل لتشغيل الإشارة والتحكم بها. [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 8 ]
التحكم في البوابة الخلفية في تقنيات FD-SOI
في تقنيات السيليكون المستنفد بالكامل على العازل ( FD-SOI )، تُصنع قناة الترانزستور على طبقة رقيقة جدًا من السيليكون المستنفد بالكامل، والتي تُعزل كهربائيًا عن الركيزة بواسطة طبقة أكسيد مدفونة (BOX ). في هذه الحالة، تعمل الركيزة كبوابة ثانية معزولة لترانزستور MOSFET، ويُشار إليها غالبًا باسم البوابة الخلفية. [ 11 ] [ 12 ]
يؤدي تطبيق جهد كهربائي على البوابة الخلفية إلى إزاحة نطاقات الطاقة داخل القناة عموديًا، مما يؤدي إلى تعديلها.بكفاءة أعلى بكثير من الأجهزة المستوية التقليدية. وعلى وجه الخصوص، تُمكّن هذه البنية من تطبيق التحيز الديناميكي للجسم (DBB)، مما يعزز بشكل كبير كفاءة الوحدات الرقمية FD-SOI من خلال: [ 11 ] [ 12 ]
- التحيز الأمامي للجسم (FBB): تطبيق تحيز أمامي على البوابة الخلفية (يُقلل هذا من تأثير الركيزة. ونتيجةً لذلك، يزداد جهد التشغيل الزائد لهياكل MOS، مما يسمح بسلوك توصيل أفضل للأجهزة وأداء تبديل أفضل للبوابات المنطقية . [ 12 ] من المهم ملاحظة أن هذا النهج ممكن فقط عند مراعاة القيود الناتجة عن تشغيل ثنائيات المصدر-الركيزة والمصب-الركيزة الطفيلية للجهاز.
- الانحياز العكسي للجسم (RBB): تطبيق انحياز عكسي () يؤدي إلى زيادة في جهد العتبةمما يقلل من تيارات التسرب دون العتبة للأجهزة غير المتصلة ويسمح لكتل المنطق بالدخول في حالة استعداد منخفضة الطاقة للغاية. [ 11 ] [ 12 ]
دوائر الطاقة المنخفضة للغاية (ULP) والجهد المنخفض للغاية (ULV)

بالنسبة للتطبيقات التي تستهدف إنترنت الأشياء ( IoT )، [ 14 ] أو أجهزة الاستشعار الطبية الحيوية القابلة للزرع ، أو أنظمة حصاد الطاقة ، [ 14 ] يتم تخفيض جهد الإمداد إلى ما يقارب أو أقل من جهد العتبة الاسمي لأجهزة MOSFET (تتراوح القيم بينو[ 15 ] في هذا النظام المتطرف، لا يمكن استخدام تصميمات مكبرات الصوت التقليدية التي تعمل بالبوابة، لأنها لا تضمن ديناميكية إدخال مقبولة. [ 13 ] [ 16 ] ولتجاوز هذا القيد، يمكن لإشارة إدخال المكبر أن تُشغّل طرف جسم ترانزستورات الإدخال مباشرةً، بينما تُحيز بواباتها بجهد تيار مستمر ثابت، مما يُبقي الأجهزة في حالة انعكاس ضعيف . [ 15 ] يُعرف هذا النهج عادةً بتصميم MOSFET المُشغّل بالجسم، ويعتمد كليًا على ناقلية الجسم، مما يتطلب آبارًا مخصصة لعزل جسم كل جهاز عن ركيزة الشريحة. على الرغم من أن هذه التصميمات تُقدم تنازلات كبيرة، ويرجع ذلك أساسًا إلى عامل الناقلية الأضعف مقارنةً بعمل البوابة الرئيسية، إلا أنها تُتيح إمكانية تأرجح إدخال واسع (يكاد يكون من طرف إلى طرف) مع الحفاظ على التشغيل الخطي. [ 13 ] [ 16 ] يمكن التخفيف من بعض هذه العيوب عن طريق زيادة كسب الجهد الكلي للمراحل من خلال طوبولوجيات متسلسلة أو عن طريق تطبيق تقنيات التغذية الراجعة الموجبة المحلية المدمجة داخل مرحلة الإدخال. [ 14 ] [ 15 ] [ 13 ] [ 16 ]
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 تاور، يوان؛ نينغ، تاك هـ. (2022). أساسيات أجهزة VLSI الحديثة ( الطبعة الثالثة). كامبريدج؛ نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1-108-48002-4.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 جوستوليسي، جيانلوكا؛ بالومبو، جايتانو (2013). مقدمة عن الأجهزة الإلكترونية . فرانكو انجيلي. رقم ISBN 978-8846469489.
- 1 2 3 4 5 6 7 سيدرا، عادل س.؛ سميث، كينيث س. (2016). الدوائر الإلكترونية الدقيقة (الطبعة الدولية السابعة ). نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-933914-3.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 رضوي، بهزاد (2017). تصميم الدوائر المتكاملة التناظرية بتقنية CMOS ( الطبعة الثانية). نيويورك: ماكجرو هيل للتعليم. ISBN 978-1-259-25509-0.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 سزي، سم؛ نغ، كووك كووك. لي ييمينغ (2021). فيزياء أجهزة أشباه الموصلات ( الطبعة الرابعة). هوبوكين، نيوجيرسي، الولايات المتحدة الأمريكية: وايلي. رقم ISBN 978-1-119-61800-3.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 نيمن، دونالد أ. (2012). فيزياء أشباه الموصلات والأجهزة: المبادئ الأساسية ( الطبعة الرابعة). نيويورك، نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 978-0-07-352958-5.
- 1 2 3 ساه، تشيه-تانغ (1991). أساسيات إلكترونيات الحالة الصلبة . سنغافورة ؛ ريفر إيدج، نيوجيرسي: وورلد ساينتيفيك. ISBN 978-981-02-4811-6.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 غراي، بول ر.، محرر. (2010). تحليل وتصميم الدوائر المتكاملة التناظرية (الطبعة الخامسة، نسخة الطلاب الدولية ). هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي. ISBN 978-0-470-39877-7.
- ↑ ويست، نيل إتش إي؛ هاريس، ديفيد موني (2011). تصميم الدوائر المتكاملة بتقنية CMOS VLSI: منظور الدوائر والأنظمة ( الطبعة الرابعة). بوسطن، ماساتشوستس: أديسون-ويسلي. ISBN 978-0-321-54774-3.
- ↑ راباي، جان م.؛ تشاندراكاسان، أنانثا ب.؛ نيكوليتش، بوريفوي (2003). الدوائر المتكاملة الرقمية: منظور تصميمي . سلسلة برنتيس هول للإلكترونيات وVLSI ( الطبعة الثانية). أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول. ISBN 978-0-13-090996-1.
- 1 2 3 كريستولوفينو، سورين (2021). السيليكون المستنفد بالكامل على العازل: الأجهزة النانوية، والآليات، والخصائص . دار النشر: إلسيفير. رقم ISBN 978-0-12-819643-4.
- 1 2 3 4 كليرك، سيلفان؛ دي جيليو، تييري؛ كاثيلين، أندريا، محرران. (2020). الطرفية الرابعة: فوائد تقنيات تحيز الجسم لدوائر وأنظمة FDSOI . الدوائر والأنظمة المتكاملة (الطبعة الأولى، 2020 ). تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. ISBN 978-3-030-39495-0.
- 1 2 3 4 جيرفرز، فريدل، محرر (2025). تقنيات الدوائر المدفوعة بالكتلة لعمليات CMOS FDSOI: من مفهوم الدائرة إلى التطبيقات (الطبعة الأولى، 2025 ). تشام: سبرينغر نيتشر سويسرا. ISBN 978-3-031-85114-8.
- 1 2 3 أليوتو، ماسيمو، محرر. (2017). تمكين إنترنت الأشياء: من الدوائر المتكاملة إلى الأنظمة المتكاملة . كتب سبرينغر لينك. تشام: سبرينغر. ISBN 978-3-319-51480-2.
- 1 2 3 تشاتيرجي، س.؛ تسيفيديس، ي.؛ كينجيت، ب. (2005). "تقنيات الدوائر التناظرية بجهد 0.5 فولت وتطبيقها في تصميم مضخمات التشغيل والمرشحات" . مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 40 (12): 2373-2387 . doi : 10.1109/JSSC.2005.856280 . ISSN 0018-9200 .
- 1 2 3 بالو، أندريا؛ جراسو، ألفيو داريو؛ بينيسي ، سلفاتوري (2022/08/29). "0.4-V، 81.3-nA CMOS OTA أحادي المرحلة مدفوع بكميات كبيرة مع موصلية موصلة محسنة" . الالكترونيات . 11 (17): 2704. دوى : 10.3390 / إلكترونيات 11172704 . ردمك 2079-9292 .
روابط خارجية
- الإلكترونيات
- المعايير الكهربائية
- ترانزستورات MOSFET
- نمذجة الترانزستور
