通常，我們將MOS管視為一個(gè)三端器件，包括柵極、源極和漏極。然而，襯底是其隱藏的第四個(gè)端子。下圖為一個(gè)nMOS，g、s、d、b分別代表柵極、源極、漏極和襯底。

上圖為以nMOS為例，簡(jiǎn)述其關(guān)斷、線性區(qū)和飽和的條件

絕大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)將襯底和源極連在一起，但是有時(shí)候出于性能考慮（如在芯片工作模式下實(shí)現(xiàn)高Ion和在芯片睡眠模式下實(shí)現(xiàn)低Ioff）會(huì)通過(guò)施加體偏置來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整晶體管的閾值電壓。大多數(shù)情況下我們將閾值電壓（Vt）視為常數(shù)。然而，Vt隨源極電壓的增加而增加，隨襯底電壓的增加而減小，隨漏極電壓的增加而減小，并隨溝道長(zhǎng)度的增加而增加 。

進(jìn)入正題：體效應(yīng) （body bias）簡(jiǎn)介

當(dāng)在源極和襯底之間施加電壓Vsb時(shí)，它會(huì)增加反轉(zhuǎn)溝道所需的電荷量，從而增加Vt。Vt可以建模為：

其中Vt0是襯底連接到源極時(shí)的閾值電壓，φs是閾值時(shí)的表面電位（有關(guān)表面電位的進(jìn)一步討論，請(qǐng)參閱 [Tsividis99] 等器件物理學(xué)著作），γ是體效應(yīng)系數(shù)，通常在0.4到1V^（1/2）的范圍內(nèi)。這些參數(shù)具體值取決于溝道中的摻雜水平。體效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步降低傳輸弱值（例如，nMOS傳輸“1”，前文提到的nMOS可以傳輸強(qiáng)“0”弱“1”）的直通晶體管的性能，下文將描述如何有意施加體偏置來(lái)改變閾值電壓，從而在性能和亞閾值漏電流之間進(jìn)行權(quán)衡。

上述公式可簡(jiǎn)化為：

從公式可知，通過(guò)調(diào)節(jié)Vsb可以調(diào)制閾值電壓Vt，這就是利用了體效應(yīng)的特性。體效應(yīng)的用途舉例：可以使用低閾值電壓 (low-Vt) 器件，并在芯片睡眠模式期間施加反向體偏置 (RBB：reverse body bias) 以減少漏電流，體偏置可以施加到電源門(mén)控晶體管上，以便在芯片睡眠期間更有效地將其關(guān)閉；或者，可以使用高閾值電壓 (higher-Vt) 器件，然后在芯片工作模式期間施加正向體偏置 (FBB：forward body bias) 以提高性能。

施加體偏置需要額外的電源軌來(lái)分配襯底和阱電壓。例如，對(duì)于1.0V n阱工藝，RBB方案可以將p型襯底偏置在VBBn=–0.4V，將n阱偏置在VBBp=1.4V。

體效應(yīng) （body bias）的可靠性風(fēng)險(xiǎn)

由下面這個(gè)公式可推導(dǎo)出，體效應(yīng)隨著柵氧化層厚度 (tox) 變薄而減弱。

可靠性風(fēng)險(xiǎn)總結(jié)：

1、 如設(shè)計(jì)中沒(méi)有妥善管理因體效應(yīng)增加的漏電流，可能會(huì)導(dǎo)致芯片功耗過(guò)高，甚至引發(fā)熱失控等問(wèn)題

a）帶間隧穿 (BTBT) 引起的結(jié)漏電流：施加過(guò)大的反向體偏置（例如，低于-1.2V）會(huì)導(dǎo)致通過(guò)BTBT效應(yīng)產(chǎn)生更大的結(jié)漏電流，從而增加功耗并影響器件性能。

b）體到源二極管電流：施加過(guò)大的正向體偏置（例如，高于0.4V）會(huì)導(dǎo)致大量電流通過(guò)體到源二極管，這也會(huì)增加功耗并可能導(dǎo)致器件損壞。

熱載流子注入 (Hot Carrier Injection, HCI):這是最主要的可靠性問(wèn)題之一。施加反向體偏壓會(huì)增強(qiáng)溝道內(nèi)的電場(chǎng)，加速電子獲得能量成為“熱載流子”。這些高能載流子會(huì)注入并損傷柵極氧化層，導(dǎo)致晶體管的閾值電壓發(fā)生漂移、跨導(dǎo)下降和驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使器件性能隨時(shí)間推移而退化，最終導(dǎo)致電路失效。b）偏壓溫度不穩(wěn)定性 (Bias Temperature Instability, BTI): 在高溫和電場(chǎng)共同作用下，柵氧化層與半導(dǎo)體界面處會(huì)產(chǎn)生陷阱電荷，導(dǎo)致閾值電壓漂移。體偏壓，特別是反向體偏壓，會(huì)加劇電場(chǎng)強(qiáng)度，從而加速BTI效應(yīng)，縮短器件的可靠運(yùn)行壽命。c）應(yīng)力導(dǎo)致的性能退化: 持續(xù)施加反向體偏壓會(huì)增加器件內(nèi)部的應(yīng)力，長(zhǎng)期下來(lái)可能導(dǎo)致器件性能退化，例如擊穿電壓的降低。

總而言之，體偏壓是一把“雙刃劍”。它為現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)提供了在性能和功耗之間動(dòng)態(tài)優(yōu)化的強(qiáng)大工具，但設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)評(píng)估并緩解其帶來(lái)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，如熱載流子效應(yīng)、BTI以及設(shè)計(jì)復(fù)雜性等，才能確保芯片在整個(gè)生命周期內(nèi)的穩(wěn)定可靠。