MOSFET: Dlaczego dren i źródło są różne?

Dlaczego drenowanie terminala źródłowego MOSFET-a działa inaczej, podczas gdy jego struktura fizyczna jest podobna / symetryczna?

To jest MOSFET:
MOSFET

Widać, że drenaż i źródło są podobne.
Dlaczego więc muszę podłączyć jeden z nich do VCC, a drugi do GND?

mosfet physics

— Dor
źródło

Mit: produkuje spisek, aby umieścić diody wewnętrzne w dyskretnych komponentach, aby tylko projektanci układów scalonych mogli robić porządne rzeczy za pomocą 4-terminalowych tranzystorów MOSFET.

Prawda: 4-terminalowe tranzystory MOSFET nie są zbyt przydatne.

Każde złącze PN jest diodą (między innymi sposobami tworzenia diod). MOSFET ma dwa z nich, właśnie tutaj:

MOSFET z diodami

Ten duży fragment krzemu domieszkowanego P to ciało lub podłoże . Biorąc pod uwagę te diody, widać, że bardzo ważne jest, aby ciało było zawsze pod niższym napięciem niż źródło lub drenaż. W przeciwnym razie przesuwasz diody do przodu i prawdopodobnie nie tego chciałeś.

Ale czekaj, robi się coraz gorzej! BJT to trójwarstwowa kanapka z materiałów NPN, prawda? MOSFET zawiera również BJT:

MOSFET z BJT

Jeśli prąd drenu jest wysoki, wówczas napięcie w kanale między źródłem a drenem może być również wysokie, ponieważ jest różny od zera. Jeśli jest wystarczająco wysoki, aby przesunąć diodę ciało-ciało do przodu, nie masz już MOSFET: masz BJT. Tego też nie chciałeś. $R_{DS(on)}$

W urządzeniach CMOS robi się jeszcze gorzej. W CMOS masz struktury PNPN, które tworzą pasożytniczy tyrystor. To właśnie powoduje zatrzaśnięcie .

Rozwiązanie: zewrzyj ciało do źródła. To zrywa bazę emitera pasożytniczej BJT, mocno ją przytrzymując. Idealnie nie robisz tego przez zewnętrzne przewody, ponieważ wtedy „krótki” miałby również wysoką indukcyjność pasożytniczą i oporność, przez co „powstrzymywanie” pasożytniczego BJT nie było tak silne. Zamiast tego zwierasz je tuż przy kości.

Właśnie dlatego tranzystory MOSFET nie są symetryczne. Być może niektóre projekty są w przeciwnym razie symetryczne, ale aby stworzyć MOSFET, który zachowuje się niezawodnie jak MOSFET, musisz zewrzeć jeden z tych N obszarów do ciała. Niezależnie od tego, co to zrobisz, jest to teraz źródło, a dioda, której nie zwarłeś, jest „diodą ciała”.

To naprawdę nie jest coś specyficznego dla tranzystorów dyskretnych. Jeśli masz 4-terminalowy MOSFET, musisz upewnić się, że ciało ma zawsze najniższe napięcie (lub najwyższe, w przypadku urządzeń z kanałem P). W układach scalonych ciało jest podłożem dla całego układu scalonego i zwykle jest połączone z ziemią. Jeśli ciało ma niższe napięcie niż źródło, musisz rozważyć efekt ciała . Jeśli spojrzysz na obwód CMOS, w którym źródło nie jest podłączone do uziemienia (jak brama NAND poniżej), to nie ma tak naprawdę znaczenia, ponieważ jeśli B jest wysoki, tranzystor znajdujący się najniżej jest włączony, a ten powyżej faktycznie ma swoje źródło podłączone do ziemi. Lub, B jest niski, a moc wyjściowa jest wysoka i nie ma prądu w dwóch dolnych tranzystorach.

Schemat CMOS NAND

— Phil Frost
źródło

W NFET jest wyraźnie konieczne, aby potencjał źródła i drenażu nie był niższy niż potencjał ciała, ale nie oznacza to, że źródło i drenaż powinny mieć ustaloną biegunowość względem siebie. Rzadko zdarza się sytuacja, w której jeden chce połączyć lub rozłączyć dwa punkty, z których oba zawsze będą wyższe niż jakiś punkt „uziemienia”, ale jeden z nich może być wyższy od drugiego. Można do tego użyć dwóch MOSFET-ów, ale wydawałoby się to trochę marnotrawstwem, gdyby „cztero-terminalowy MOSFET” mógł wykonać to zadanie.

— supercat

@supercat na pewno, ale wtedy musisz wziąć pod uwagę pasożytnicze pojemności i indukcyjności i przeanalizować swój obwód, aby zagwarantować, że źródło i drenaż pozostają przy wyższych potencjałach niż ciało nawet w obecności wysokiego dv / dt lub di / dt. Biorąc pod uwagę, że te pasożyty są wysoce zależne od układu i zmienności produkcji, w wielu przypadkach wydaje się to trudniejsze niż alternatywa zaprojektowania sterownika pływającej bramy i użycia zwykłego 3-terminalowego MOSFET.

— Phil Frost

Istnieje wiele obwodów, w których trzy-terminalowe tranzystory MOSFET są po prostu świetne. Są jednak chwile, w których konieczne jest przełączanie prądu w dwóch kierunkach. Można użyć wzajemnych tranzystorów MOSFET, ale wydaje się to trochę marnotrawstwem. Może się zdarzyć, że połączenie źródło / podłoże jest tak korzystne w przetwarzaniu geometrii, że para sprzężeń zwrotnych z danym RDSonem i zdolnością do obsługi prądu może być tańsza niż pojedynczy MOSFET z izolowaną bazą, w którym to przypadku nie byłby faktycznie byłoby marnotrawstwem, ale nie wiem, czy tak jest.

— supercat

Hmm Dlaczego pasożytniczy BJT jest raczej NPN niż PNP i dlaczego wskazuje na drenaż na źródło, a nie na źródło? Innymi słowy, skąd bierze się asymetria?

— Jason S

@JasonS Jest to NPN, ponieważ tak domieszkowany jest krzem. Spójrz na zdjęcie i możesz przeczytać: „n”, „p”, „n”. Nie ma asymetrii: po prostu arbitralnie zdecydowałem się narysować symbol w jedną stronę, ale to nie ma znaczenia, ponieważ BJT ma pewien zysk, nawet jeśli odwrócisz go do góry nogami, szczególnie gdy BJT, o którym mówisz, jest pasożytniczy w MOSFET i maksymalizacja zysku nie były celem projektowym.

— Phil Frost

W odpowiedzi na odpowiedź Phila, od czasu do czasu zobaczysz MOSFET, który daje więcej szczegółów na temat asymetrii

wprowadź opis zdjęcia tutaj

^{Z elektroniki-tutorials.wa}

Asymetryczne połączenie między podłożem (bryłą) a źródłami jest pokazane jako linia przerywana.

— RedGrittyBrick
źródło

Geometria dyskretnych tranzystorów MOSFET jest bardzo różna od geometrii zintegrowanych; podczas gdy zintegrowany NFET będzie miał podłoże P, wiele dyskretnych MOSFET ma podłoże typu N, które jest podłączone do drenu po jednej stronie tranzystora; podstawa (która zachowuje się jak podłoże zintegrowanego MOSFET-a) i źródło są podłączone po drugiej stronie tranzystora.

— supercat

Z fizycznego punktu widzenia urządzenia są takie same. Jednakże, gdy wytwarzane są dyskretne tranzystory polowe, powstaje wewnętrzna dioda utworzona przez podłoże, którego katoda znajduje się przy dnie, a anoda u źródła, dlatego należy użyć oznaczonego zacisku spustowego jako odpływu i oznaczonego zacisku źródłowego jako źródła.

— Brett Prudhom
źródło