Perché un MOSFET viene attivato da Vgs e non da Vgd?

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Osservando attentamente questo diagramma di un tipo di MOSFET:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

(trovato in questa nota di applicazione )

Possiamo vedere che il dispositivo è praticamente simmetrico. Cosa rende il cancello stesso riferimento alla fonte e non allo scarico?

Inoltre, perché l'ossido di gate si rompe a 20 V Vg e non a 20 V Vgd?

(Non è una domanda da fare a casa. Solo curiosità.)

transistors mosfet

— Thomas O
fonte

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So che la maggior parte dei JFET sono in effetti quasi simmetrici nel modo in cui descrivi, e non importa quale estremità sia usata come fonte e quale sia il drenaggio. Non sono positivo se la stessa cosa si applica ai MOSFET laterali, però. I MOSFET verticali contengono un diodo parassita del corpo e non funzioneranno correttamente se collegati "all'indietro".

— Bitrex,

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@Bitrex Vero, un MOS di potenza non funziona normalmente all'indietro. Ma se è possibile cortocircuitare il diodo se il canale della sorgente di drenaggio ha una resistenza abbastanza bassa e quindi il canale sta conducendo corrente, non il diodo. Viene utilizzato nei raddrizzatori a ponte attivi e in altri dispositivi che richiedono una rettifica controllata. Ma sei limitato a circa 0,5 V all'indietro prima che le cose vadano male;).

— Thomas O

Se si utilizza un MOSFET come parte di un raddrizzatore sincrono, è possibile mettere un diodo Schottky in parallelo con il diodo corporeo del MOSFET per proteggere il MOSFET. Il diodo corporeo è generalmente piuttosto debole.

— Mike DeSimone,

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Perché la Figura 1 che hai pubblicato fa riferimento a un dispositivo a 4 terminali , non a 3 terminali. Se osservi il simbolo schematico nella Figura 1, noterai che il terminale del corpo è un terminale separato non collegato al terminale di origine. I MOSFET in vendita sono quasi sempre dispositivi a 3 terminali in cui sorgente e corpo sono collegati insieme.

Se la memoria mi serve bene (non sicuro al 100% - sembra essere confermata da questo volantino ), in un dispositivo a 4 terminali non c'è differenza tra sorgente e drain, ed è la tensione del gate-body che determina lo stato on del canale - con l'avvertenza che il corpo dovrebbe essere la tensione più negativa nel circuito per un dispositivo a canale N o la tensione più positiva nel circuito per un dispositivo a canale P.

( modifica: trovato un riferimento per la fisica del dispositivo MOSFET . Il comportamento del drain della sorgente è ancora simmetrico, ma dipende dalle tensioni gate-source e gate-drain. Nel canale N, se entrambi sono negativi, il canale non è conduttivo. Se uno è maggiore della tensione di soglia, quindi si ottiene un comportamento di saturazione (corrente costante). Se entrambi sono maggiori della tensione di soglia, si ottiene un comportamento a triodi (resistenza costante). Il corpo / massa / substrato deve ancora essere il più negativo tensione nel circuito, quindi per ottenere il comportamento inverso in un circuito, corpo + drenaggio dovrebbero essere collegati insieme.

In un dispositivo a canale P, questa polarità è invertita.)

Guarda attentamente i simboli schematici convenzionali per MOSFET a canale N e P ( da Wikipedia ):

e la figura di Wikipedia sul funzionamento del MOSFET e vedrai la connessione body-source.

— Jason S
fonte

Anche in 4 terminali la tensione della sorgente del gate determina lo stato del canale. Quindi ciò che hai scritto sul gate-body non è vero. La tensione sorgente - corpo modulerà la tensione di soglia del dispositivo. Ad esempio per NMOS se Vs è al di sopra di Vb, per accendere il dispositivo (l'effetto del corpo) saranno necessari Vg più grandi.

— mazurnification

@mazurnification: dov'è il tuo riferimento per questo? e perché è gate-source piuttosto che gate-drain o gate-body? Ho cercato di trovare materiale di riferimento in entrambi i modi e non ci sono riuscito.

— Jason S

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Ho appena trovato questo riferimento: doe.carleton.ca/~tjs/21-mosfetop.pdf che indica i campi canale in base a Vgb, non a Vgs (fino a quando Vsb = 0 a quel punto Vgs = Vgb). Quindi non cambierò la mia risposta finché non vedrò la prova che c'è qualcosa di speciale nel terminale di origine. Non sarei sorpreso se l'effetto corporeo della modulazione della tensione di soglia è vero solo se la connessione sorgente-corpo è una tensione fissa a bassa impedenza, e che è equivalente alle equazioni che regolano Vgb.

— Jason S

OK, ho trovato qualcosa che si riferisce alle tensioni gate-source e gate-drain.

— Jason S

La chiave è Vgb. L'intero punto di un MOSFET è per il campo elettrico creato tra il gate e il substrato per sbilanciare la distribuzione dei portatori di carica, modificando l'impedenza del canale tra sorgente e drain. Tuttavia, poiché sorgente e substrato sono generalmente collegati insieme (vedere il simbolo schematico), Vgs è uguale a Vgb. Se non si desidera che il canale sia uguale al substrato, è necessario creare una struttura a pozzo, che assomigli a un diodo polarizzato al contrario da canale a substrato. Ricordare che è possibile creare strutture in circuiti integrati non realizzabili in parti discrete.

— Mike DeSimone,

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La sezione simmetrica come di solito viene disegnata non concorda perfettamente con la struttura reale, che è altamente asimmetrica. In realtà sembra più così:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

$I_D$ $V_{GD}$

— stevenvh
fonte

Sei sicuro che questo non sia solo un MOS verticale? Un MOS laterale è diverso?

— Thomas O

@Thomas - un V-MOSFET ha un aspetto diverso: allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/10.html . Ad ogni modo, sono molto asimmetrici, quindi anche se l'immagine sembra diversa, la spiegazione rimane valida.

— Stevenvh,

Questa struttura viene spesso utilizzata per MOSFET discreti. La struttura simmetrica viene solitamente utilizzata per MOSFET su circuiti integrati, poiché non possono condividere tutti uno scarico.

— Mike DeSimone,

sì, il mosfet del circuito integrato molto probabilmente sarà completamente simmetrico

— mazzurnificazione

@MikeDeSimone, @mazurnification - Sembrerà diverso per i circuiti integrati, ma non sono ancora del tutto sicuro che saranno simmetrici.

— Stevenvh,

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Il funzionamento di un determinato MOSFET è determinato dalle tensioni sui rispettivi elettrodi (Drain, Source, Gate, Body).

Per convenzione da manuale in NMOS su due elettrodi "collegati al canale" (tra i quali in circostanze "normali" scorre la corrente) quello collegato al potenziale inferiore è chiamato sorgente e quello collegato al superiore è drain. È vero il contrario per PMOS (fonte potenziale più alta, drenaggio potenziale inferiore).

Quindi usando questa convenzione vengono presentate tutte le equazioni o i testi che descrivono il funzionamento del dispositivo. Ciò implica che ogni volta che l'autore del testo su NMOS dice qualcosa sulle sorgenti dei transistor, pensa all'elettrodo collegato a un potenziale inferiore.

Ora molto probabilmente i produttori di dispositivi sceglieranno di chiamare i pin di source / drain nei loro dispositivi in base alla configurazione prevista in cui MOSFET verrà posizionato nella circuiteria finale. Ad esempio, nel pin NMOS solitamente collegato a un potenziale inferiore verrà chiamato sorgente.

Quindi questo lascia due casi:

A) Il dispositivo MOS è simmetrico: questo è il caso della stragrande maggioranza delle tecnologie in cui sono prodotti VLSI IC.

B) Il dispositivo MOS è asimmetrico (esempio vmos) - questo è un caso per alcuni (più?) Dispositivi di alimentazione discreti

Nel caso di A) - non importa quale lato del transistor sia collegato a un potenziale superiore / inferiore. Il dispositivo funzionerà esattamente allo stesso modo in entrambi i casi (e quale elettrodo chiamare sorgente e quale drain è solo una convenzione).

Nel caso di B) - importa (ovviamente) da quale parte del dispositivo è collegato a quale potenziale poiché il dispositivo è ottimizzato per funzionare in una data configurazione. Ciò significa che le "equazioni" che descrivono il funzionamento del dispositivo saranno diverse nel caso in cui il pin chiamato "sorgente" sia collegato a una tensione inferiore, quindi rispetto al caso in cui è collegato a una maggiore.

Nel tuo esempio il dispositivo è stato probabilmente progettato per essere asimmetrico al fine di ottimizzare determinati parametri. La tensione di frenatura "gate-source" è stata abbassata come un compromesso al fine di ottenere un migliore controllo sulla corrente del canale quando viene applicata la tensione di controllo tra i pin chiamati gate e source.

Modifica: dato che ci sono alcuni commenti sulla simmetria del mos, ecco la citazione di Behzad Razavi "Design of the analog CMOS integrato citcuits" p.12

citazione

— mazurnification
fonte

Non sono sicuro di come le tecnologie di simulazione siano cambiate nel corso degli anni, ma secondo la mia comprensione, circa dieci anni fa, molti simulatori volevano essenzialmente i nodi di sorgente e di drenaggio etichettati per identificare quale nodo dovrebbe essere visto come interessato all'altro. In sostanza, l'etichetta "sorgente" significava "causa", e "drain" significava "effetto", e il circuito dovrebbe essere disposto in modo tale che se lo drain / effetto di un NFET ha un percorso verso massa, la sorgente / causa dovrebbe avere un percorso per VSS o essere un "non preoccuparsi" (anche per PFET e VDD). Se un circuito può essere predisposto per soddisfare quel criterio, allora ...

— supercat

... il simulatore può organizzare per ogni fase di clock tutti i nodi in una sequenza in modo tale che ogni nodo debba essere valutato solo una volta, e nessun nodo sarà influenzato da un nodo "a valle" (fino alla successiva fase di clock, che avrà i nodi in una disposizione diversa). Alcuni circuiti che utilizzano pass-gate richiederebbero l'inversione delle etichette di source e drain per aiutare il simulatore, ma in generale le restrizioni di causalità renderebbero pratico la simulazione di circuiti più velocemente di quanto sarebbe altrimenti possibile.

— supercat

@supercat - ci sono pochi "livelli" di simulatori. A partire da fisico (tcad per esempio) dove si sta effettivamente simulando campi elettrici e magnetici, quindi elettrici (tutti come SPICE) a funzionali (verilog, vhdl, verilogA ecc.). Tutti erano già molto avanzati 10 anni fa. Quello che hai citato sembra un simulatore funzionale di eventi (come il verilog one) ma non ho visto una tale tecnica applicata ai transistor reali (beh forse nella cosiddetta "spezia veloce"). Il punto è che l'elettricità (spezia) può gestire facilmente la simmetria del mosfet ...

— mazurnification

Certamente è possibile simulare circuiti in cui cause ed effetti non formano un grafico aciclico diretto e gli aumenti della potenza di calcolo negli ultimi dieci anni hanno reso la simulazione completa pratica per progetti più grandi di quanto sarebbe stato possibile dieci anni fa. Non sarei sorpreso, tuttavia, se i circuiti che possono essere mappati causa-effetto, tuttavia, sarebbero suscettibili di una simulazione più veloce di quelli che non possono, o se informando un simulatore che un determinato transistor dovrebbe essere chiamato solo per far passare corrente in una direzione potrebbe aiutare a

— rilevare gli

... dove finisce per passare la corrente dall'altra parte. Naturalmente, con la logica statica tali problemi causerebbero solitamente un corto VDD-VSS, ma nella logica dinamica potrebbero causare problemi senza un corto VDD-VSS. Non sono sicuro di quanta logica dinamica sia ancora utilizzata al di fuori delle DRAM, anche se (vero?) Il mio punto principale era che etichettare la sorgente e il consumo come abitudine avrebbe giovato almeno ad alcuni simulatori.

— Supercat,

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Un MOSFET richiede due cose per far fluire la corrente: portatori di carica nel canale e un gradiente di tensione tra la sorgente e il drain. Quindi, abbiamo uno spazio di comportamento tridimensionale da guardare. La caratteristica di drain-source è simile a questa: inserisci qui la descrizione dell'immagine

Supponiamo di avere un transistor nmos e che la massa e la sorgente siano a 0 V. Impostiamo anche la tensione di drain alta, diciamo 5V. Se spazziamo la tensione del gate, otterremmo qualcosa che assomiglia a questo:

massa

Affinché ci siano quantità sostanziali di portatori di carica nel canale, abbiamo bisogno di una regione di esaurimento che colleghi la sorgente e il drenaggio e dobbiamo anche estrarre un gruppo di corrieri dalla fonte. Se la sorgente e la porta hanno la stessa tensione, ciò significa che la maggior parte del canale ha essenzialmente la stessa tensione della sorgente e che i vettori devono diffondersi per lo più attraverso il transistor prima di poter "cadere" nello scarico. Se la tensione gate-source è abbastanza alta, il gradiente di tensione sarà più significativo vicino alla sorgente e i carrier verranno trascinati nel canale, consentendo una popolazione più elevata.

— Aphaea
fonte

Questo spiega la teoria del funzionamento del MOSFET, ma non dice nulla sulla possibile simmetria e non risponde alla domanda di Thomas se l'origine e il drenaggio sono intercambiabili.

— Stevenvh,

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Il mio valore di 2 centesimi: rispetto ai bipolari, so che potresti scambiare C ed E ed è ancora funzionante, ma con hFE più basso e diversi valori di tensione: VBE ha permesso di essere al massimo tra 5 e 7 V di solito; VCB uguale a VCE o superiore (cfr. Ad es. Scheda tecnica BC556 di Fairchild, che specifica VCBO, che è persino superiore a VCEO). Fisicamente c'è una (grande) differenza tra C ed E (dimensioni, forma e / o doping) che spiega l'asimmetria nelle figure. E l'ho visto anche in laboratorio. Succede di tanto in tanto che qualcuno scambia C ed E per caso e si sorprende che funzioni ancora ma non molto bene.

Sarebbe interessante se qualcuno dovesse ottenere un grafico di ID (e RDSon) vs VGD per un MOSFET a canale N di potenza. Al momento non è possibile accedere al laboratorio.

— David S
fonte