MOSFET: perché drain e source sono diversi?

Perché svuotare il terminale di origine del MOSFET funziona in modo diverso mentre la sua struttura fisica è simile / simmetrica?

Questo è un MOSFET:
MOSFET

Puoi vedere che drain e source sono simili.
Quindi perché devo collegare uno di loro a VCC e l'altro a GND?

mosfet physics

— dor
fonte

Mito: produce cospirazioni per inserire diodi interni in componenti discreti in modo che solo i progettisti IC possano fare cose ordinate con MOSFET a 4 terminali.

Verità: i MOSFET a 4 terminali non sono molto utili.

Qualsiasi giunzione PN è un diodo (tra gli altri modi per creare diodi). Un MOSFET ne ha due, proprio qui:

MOSFET con diodi

Quel grosso pezzo di silicio drogato con P è il corpo o il substrato . Considerando questi diodi, si può vedere che è abbastanza importante che il corpo abbia sempre una tensione inferiore rispetto alla sorgente o al drain. Altrimenti, si inclinano in avanti i diodi, e probabilmente non è quello che volevi.

Ma aspetta, peggiora! Un BJT è un sandwich a tre strati di materiali NPN, giusto? Un MOSFET contiene anche un BJT:

MOSFET con BJT

Se la corrente di drain è alta, allora anche la tensione attraverso il canale tra la sorgente e il drain può essere alta, perché è diverso da zero. Se è abbastanza alto da polarizzare in avanti il diodo body-source, non hai più un MOSFET: hai un BJT. Questo è anche , non quello che si voleva. $R_{DS(on)}$

Nei dispositivi CMOS, peggiora ancora. In CMOS, hai strutture PNPN, che formano un tiristore parassitario. Questo è ciò che provoca il latchup .

Soluzione: corto il corpo alla fonte. Questo cortocircuita l'emettitore di base del parassita BJT, tenendolo saldamente spento. Idealmente, non lo faresti attraverso derivazioni esterne, perché il "corto" avrebbe anche un'elevata induttanza e resistenza parassitaria, rendendo il "trattenimento" del BJT parassitario non così forte. Invece, li corto al dado.

Questo è il motivo per cui i MOSFET non sono simmetrici. È possibile che alcuni progetti siano simmetrici, ma per creare un MOSFET che si comporti in modo affidabile come un MOSFET, è necessario abbreviare una di quelle N regioni al corpo. Per qualunque cosa tu faccia, ora è la fonte e il diodo che non hai messo in corto circuito è il "diodo corporeo".

Questo non è qualcosa di specifico per i transistor discreti, davvero. Se si dispone di un MOSFET a 4 terminali, è necessario assicurarsi che il corpo sia sempre alla tensione più bassa (o massima, per i dispositivi del canale P). Nei circuiti integrati, il corpo è il substrato per l'intero circuito integrato ed è solitamente collegato a terra. Se il corpo ha una tensione inferiore rispetto alla sorgente, è necessario considerare l' effetto del corpo . Se dai un'occhiata a un circuito CMOS in cui è presente una sorgente non collegata a terra (come la porta NAND in basso), non importa, perché se B è alto, allora il transistor più basso è acceso e quello sopra di esso ha effettivamente la sua sorgente collegata a terra. Oppure, B è basso e l'uscita è alta e non c'è corrente nei due transistor inferiori.

Schema CMOS NAND

— Phil Frost
fonte

In una NFET è chiaramente necessario che i potenziali di sorgente e drain non siano inferiori al potenziale corporeo, ma ciò non implica che la sorgente e il drain debbano avere una polarità fissa l'uno rispetto all'altro. È raro che si verifichi una situazione in cui si desidera connettere o disconnettere due punti, entrambi i quali saranno sempre più alti di un punto "terra", ma uno dei due potrebbe essere più alto dell'altro. Si potrebbero usare due MOSFET per quello, ma sembrerebbe alquanto dispendioso se un "MOSFET a quattro terminali" potesse fare il lavoro.

— supercat

@supercat certo, ma poi devi tenere conto delle capacità parassite e delle induttanze e analizzare il tuo circuito per garantire che la sorgente e lo scarico rimangano a potenziali più elevati rispetto al corpo anche in presenza di alto dv / dt o di / dt. Dato che questi parassiti dipendono fortemente dal layout e dalle variazioni di fabbricazione, in molti casi ciò sembra più difficile dell'alternativa di progettare un gate gate flottante e usare un normale MOSFET a 3 terminali.

— Phil Frost,

Ci sono molti circuiti in cui i MOSFET a tre terminali sono semplicemente fantastici. Ci sono volte, tuttavia, in cui è necessario cambiare corrente in due direzioni. Si potrebbero usare MOSFET back-to-back, ma questo sembra alquanto dispendioso. Può essere che una connessione sorgente / substrato sia così vantaggiosa per elaborare la geometria che una coppia back-to-back con un dato RDSon e capacità di gestione della corrente può essere resa più economica rispetto a un singolo MOSFET a base isolata, nel qual caso non in realtà sarà uno spreco, ma non so se sia così.

— supercat

Hmm. Perché il parassita BJT è un NPN piuttosto che un PNP, e perché punta da drain a source piuttosto che da source a drain? In altre parole, da dove viene l'asimmetria?

— Jason S

@JasonS È un NPN perché è così che viene drogato il silicio. Guarda l'immagine e puoi leggere: "n", "p", "n". Non c'è asimmetria: ho scelto arbitrariamente di disegnare il simbolo in un modo, ma non importa perché un BJT ha qualche guadagno anche se lo capovolgi, specialmente quando il BJT di cui stai parlando è quello parassitario in un MOSFET e massimizzare il guadagno non era un obiettivo di progettazione.

— Phil Frost,

Oltre alla risposta di Phil, a volte vedrai una rappresentazione di un MOSFET che fornisce maggiori dettagli sull'asimmetria

inserisci qui la descrizione dell'immagine

^{Da electronics-tutorials.wa}

Il collegamento asimmetrico dal substrato (corpo) alle fonti viene mostrato come una linea tratteggiata.

— RedGrittyBrick
fonte

La geometria dei MOSFET discreti è molto diversa da quella dei MOSFET integrati; mentre un NFET integrato avrà un substrato P, molti MOSFET discreti hanno un substrato di tipo N che è collegato allo drain su un lato del transistor; la base (che si comporta come il substrato di un MOSFET integrato) e la sorgente sono collegate sull'altro lato del transistor.

— supercat

Dal punto di vista del dispositivo fisico, sono gli stessi. Tuttavia, quando vengono prodotti FET discreti, esiste un diodo interno formato dal substrato che ha il suo catodo allo scarico e l'anodo alla fonte, quindi è necessario utilizzare il terminale di drenaggio contrassegnato come drenaggio e il terminale di sorgente contrassegnato come sorgente.

— Brett Prudhom
fonte