Perché i MOSFET a quattro terminali discreti sono così difficili da trovare?

So che un MOSFET è un dispositivo a quattro terminali, ma quasi tutti i MOSFET discreti che è possibile acquistare hanno la sua massa / corpo / substrato collegato internamente alla sorgente. Perchè è questo? È scomodo da utilizzare in alcuni tipi di circuito, ad esempio quando si imposta una scheda di base di un progetto IC di base (a scopo didattico) in cui tutti i terminali del corpo sono collegati a VCC oa terra. I MOSFET discreti a 4 terminali non sono così utili? Oppure esiste un modo semplice per simularli con alcuni MOSFET a 3 terminali?

Sebbene i FET su un chip monolitico siano simmetrici, molti FET discreti hanno una struttura molto diversa che cerca di massimizzare la superficie utilizzabile e la connettività sorgente / drain. La connessione di substrato di massa su un transistor o chip ha un'eccellente capacità di gestione della corrente e se si progettasse un chip LSI NMOS in cui ogni singolo transistor doveva avere la sua sorgente o drain collegato a un punto comune, le prestazioni sarebbero probabilmente ottimizzate avendo il substrato serve da sorgente o drain per tutti i transistor. La maggior parte dei chip, tuttavia, utilizza la connessione di massa come base comune, sprecando le sue capacità di gestione della corrente, ma consentendo alle connessioni di source e drain di ciascun transistor di essere indipendenti.

Un tipico MOSFET "discreto" non sarà in realtà un transistor, ma dozzine o centinaia di transistor in parallelo. Poiché si suppone che tutti i transistor abbiano i loro scarichi legati insieme, l'uso del substrato come drenaggio non causerà gli stessi problemi di progettazione di un chip LSI. Poiché il substrato può essere ben solidamente collegato a un terminale esterno, un tale design migliorerà sia la conduttività di drenaggio, sia eliminerà anche la necessità di utilizzare il metallo superiore per la connessione di drenaggio, consentendo quindi l'uso di più metallo per collegare le fonti . Sfortunatamente, se i transistor sono disposti in modo tale che tutte le loro fonti formino una "maglia" (buona per la connettività), che lasceranno le loro basi come isole isolate. Mentre sarebbe possibile eseguire binari metallici per collegare tutte le basi insieme, farlo richiederebbe la suddivisione del metallo collegato alla sorgente in molte strisce (prestazioni degradanti) o l'aggiunta di uno strato di metallo extra e uno strato di isolamento extra (aumentando notevolmente i costi). Poiché ogni sezione di base ha lo strato di metallo per la connessione sorgente che si trova direttamente sopra di essa, è molto più semplice avere semplicemente le basi e le fonti collegate a quella.

È così perché se si fa funzionare un MOSFET come è normalmente fatto (polarizzazione inversa del diodo corporeo) non c'è differenza se il Bulk è collegato alla Sorgente o ad una tensione che è ancora più negativa (canale N) relativamente più positiva ( Canale P) rispetto alla sorgente.

Se vuoi costruire le tue porte logiche, porte di trasmissione, ecc. Con MOSFET a canale N e P singoli, il CMOS-IC 4007 è probabilmente quello che stai cercando, anche se non tutti i 6 MOSFET inclusi possono essere collegati in modo completamente casuale (una coppia di canali P / N è configurata come inverter, una coppia è parzialmente collegata a V + e GND; solo una coppia è completamente libera).

Ecco alcuni esempi .

"I MOSFET discreti a 4 terminali non sono poi così utili?"

Alcuni potenziali usi includono la traduzione a livello logico e la protezione IC. Il quarto pin modifica l'effetto del diodo corporeo intrinseco da uno che cortocircuita l'uscita in ingresso (o viceversa) rendendo il circuito asimmetrico, in un diodo che è polarizzato per segnali di tensione positiva. Se guardi il foglio dati di una Phillips GTL2000, scopri che il quarto terminale all'interno dell'IC è simbolicamente collegato a terra come nella costruzione fisica. Se si desidera duplicarlo con dispositivi discreti, è necessario che il quarto terminale sia separato. Ciò consente di eseguire lo stesso tipo di traduzione e protezione senza la tensione massima assoluta altamente restrittiva, nonché di modificare altri parametri come corrente massima, RDS attivo, ecc. Di quel dispositivo. La GTL2000 ha 23 FET (22 per i dati, uno per un trucco di polarizzazione intelligente) collegato con le fonti e gli scarichi portati ciascuno a perni separati, i collegamenti del corpo tutti messi in evidenza sullo stesso perno (terra) e tutti i collegamenti del cancello legati insieme e portati in un unico perno che sarà legato alla tensione che produce la tensione di serraggio desiderata. Altri circuiti integrati usati in modo simile hanno specifiche ugualmente limitate tranne uno dalla massima che consente tensioni più elevate ma ha due poli in serie (con RDSon più elevato per tensione positiva e negativa) e richiede una tensione di polarizzazione negativa o il limite di serraggio inferiore preclude un livello logico 0. Di conseguenza, se si desidera un morsetto di livello logico bidirezionale e una protezione di ingresso che proteggano un dispositivo da connessioni accidentali a 13,8 V, è necessario eseguire il roll-up. Qualcuno ha già menzionato l'applicazione dello switch analogico mosfet, che potrebbe essere ampliato per coprire una varietà di applicazioni discrete. E in alcuni casi pin separati e linguette del corpo potrebbero consentire il passaggio di calore sul lato superiore del circuito stampato e transistor flottanti sul piano di massa del PCB senza un isolante e dispositivi di montaggio superficiale potrebbero essere saldati sul piano di massa. Ma questo potrebbe non fornire i benefici desiderati a causa di resistenze interne più elevate.

Dato che la maggior parte degli ingegneri probabilmente non ha mai tenuto in mano un dispositivo a 4 terminali, ci sono molte applicazioni intelligenti che potrebbero non essere state vincolate dalla fornitura.

È probabile che i produttori non vogliano usare un pacchetto più costoso (4 pin contro 3) per una modalità operativa che ha prestazioni ridotte (effetto back gate) che pochissime persone useranno.

Metto in dubbio anche la validità di preoccuparsi di questo dettaglio quando qualsiasi transistor discreto è così lontano rimosso dalle prestazioni da un transistor su chip da rendere discutibili eventuali confronti di prestazioni. Basta chiamarlo un'altra cosa da aggiungere all'elenco delle differenze e usarlo come esperienza di apprendimento.

non c'è differenza se il Bulk è collegato alla Sorgente o ad una tensione ... "non è assolutamente vero. Esiste l'effetto backgate posteriore in cui il bulk modula il canale dal retro. È la ragione per cui NMOS in un Il substrato P usato in un follower di emettitori ti dà sempre un guadagno di 0,8 anziché 1,0 - segnaposto 4 novembre 14 alle 15:33

@placeholder: Ok, diciamo che nella maggior parte delle applicazioni non c'è differenza ... (come ho detto "normalmente"). - Cagliata 4 novembre 14 alle 15:42

@placeholder: Immagino che intendi follower della fonte (anziché follower dell'emettitore) - Curd 4 novembre 14 alle 15:45

Sì, fonte non emettitore ... E in tutti i casi si manifesta ed è evidente. Così normale è quando è presente l'effetto del corpo. Solo i transistor FD-SOI non hanno questo effetto (ma hanno altri problemi) - segnaposto 4 novembre 14 alle 15:49

... ma non in tutti i casi è importante; come negli esempi che ho collegato e per gli scopi posso presumere che l'OP lo utilizzerà. - Cagliata 4 novembre 14 alle 15:57

Ragazzi, vi manca. Sicuramente c'è una differenza di prestazioni dovuta all'effetto del corpo. Ma funzionalmente parlando, il substrato dovrebbe essere la tensione più negativa nel circuito per NMOS e la tensione più positiva nel circuito per PMOS. Altrimenti la giunzione PN tra sorgente a substrato o scarica a tensione di substrato può diventare giunzione PN distorta in avanti e non si avrà più un FET funzionante.

E se leghi il corpo alla sorgente e vuoi usare la dicitura NFET per un interruttore di campionamento, cosa succede se la tensione di drain scende al di sotto della tensione di source? OOPS? Quando il corpo è collegato alla sorgente, non è possibile consentire alla tensione di drain di scendere al di sotto della tensione della sorgente. O ciao ciao FET e ciao diodo.