MOSFET: Чому стік і джерело відрізняються?

Чому зливний вихідний термінал MOSFET функціонує по-різному, тоді як їх фізична структура схожа / симетрична?

Це MOSFET:
МОЗФЕТ

Видно, що стік і джерело схожі.
То чому мені потрібно підключити один з них до VCC, а другий до GND?

mosfet physics

— Дор
джерело

Міф: виробники мають змову розміщувати внутрішні діоди в дискретних компонентах, тому тільки дизайнери ІС можуть робити акуратні речі з 4-кінцевими МОП-системами.

Правда: 4-кінцеві MOSFET не дуже корисні.

Будь-який PN-з'єднання є діодом (серед інших способів виготовлення діодів). MOSFET має два з них, саме тут:

MOSFET з діодами

Цей великий фрагмент кремнію, легованого Р, - це тіло або підкладка . Враховуючи ці діоди, можна помітити, що досить важливо, щоб тіло завжди було нижче напруги, ніж джерело або сток. В іншому випадку ви пересуваєте діоди вперед, і це, мабуть, не те, чого ви хотіли.

Але чекай, стає гірше! BJT - це тришаровий сендвіч з матеріалів NPN, правда? MOSFET також містить BJT:

MOSFET з BJT

Якщо струм зливу високий, то напруга по каналу між джерелом і зливом також може бути високим, оскільки не дорівнює нулю. Якщо він достатньо високий, щоб пересунути вперед діод-джерело тіла, у вас вже немає MOSFET: у вас є BJT. Це теж не те, чого ти хотів. $R_{DS(on)}$

У пристроях CMOS стає ще гірше. У CMOS у вас є структури PNPN, які роблять паразитичний тиристор. Це те, що викликає фіксацію .

Рішення: коротке тіло до джерела. Це вкорочує базовий випромінювач паразитичного BJT, міцно утримуючи його. В ідеалі ви цього не робите через зовнішні відводи, тому що тоді "короткі" матимуть також високу паразитарну індуктивність та опір, завдяки чому "стримування" паразитичного BJT буде не таким сильним. Натомість, ви короткий їх прямо на штампі.

Ось чому MOSFET не симетричні. Можливо, деякі конструкції в іншому випадку є симетричними, але щоб зробити MOSFET, який веде себе надійно, як MOSFET, вам доведеться зафіксувати одну з цих N областей до тіла. Незалежно від того, хто з них ви це зробите, тепер це джерело, а діод, який ви не пропустили, - це «діод тіла».

Це не щось специфічне для дискретних транзисторів. Якщо у вас є 4-кінцевий MOSFET, вам потрібно переконатися, що корпус завжди знаходиться на найнижчій напрузі (або найвищій для пристроїв P-каналу). У ІС тіло є субстратом для всього ІС, і зазвичай він з'єднаний із землею. Якщо тіло знаходиться на меншій напрузі, ніж джерело, то ви повинні врахувати ефект тіла . Якщо ви подивитеся на ланцюг CMOS, де є джерело, не підключене до землі (наприклад, ворота NAND внизу), це насправді не має значення, тому що якщо B високий, увімкнено нижній транзистор, а той над ним фактично є джерело, підключене до землі. Або B низький, а вихід високий, і в нижніх двох транзисторах немає струму.

CMOS NAND схематично

— Філ Мороз
джерело

У системі NFET явно необхідно, щоб потенціал джерела та стоку був не нижче потенціалу тіла, але це не означає, що джерело та сток повинні мати фіксовану полярність один щодо одного. Навряд чи трапляється така ситуація, коли хочеться підключити або відключити дві точки, обидві завжди будуть вищими за якусь "заземлену" точку, але будь-яка з них може бути вищою за іншу. Для цього можна використовувати два MOSFET, але це може здатися дещо марнотратним, якби "чотиритермінальний MOSFET" міг би виконати цю роботу.

— supercat

@supercat впевнений, але тоді вам доведеться врахувати паразитичну ємність та індуктивність і проаналізувати свою схему, щоб гарантувати, що джерело і стік залишаються на більш високих потенціалах, ніж тіло, навіть за наявності високого значення dv / dt або di / dt. Зважаючи на те, що ці паразитики сильно залежать від варіантів компонування та виготовлення, у багатьох випадках це здається складнішим за альтернативу проектування драйвера плаваючого затвора та використання звичайного 3-кінцевого MOSFET.

— Філ Мороз

Є багато схем, де три-термінальні MOSFET просто чудові. Однак бувають випадки, коли потрібно перемикати струм у двох напрямках. Можна було б використовувати MOSFET від спини до спини, але це здається дещо марнотратним. Можливо, з'єднання джерело / підкладка настільки вигідне для обробки геометрії, що пара "спина до спини" із заданою функцією RDSon та можливістю керування струмом може бути дешевшою, ніж могла б окрема MOSFET з ізольованою базою, і в цьому випадку вона не буде Насправді бути марнотратним, але я не знаю, чи так це.

— supercat

Хм. Чому паразитичний BJT є NPN, а не PNP, і чому він вказує від стоку до джерела, а не від джерела до стоку? Іншими словами, звідки береться асиметрія?

— Jason S

@JasonS Це NPN, оскільки саме так легує кремній. Подивіться на малюнок і зможете прочитати: "n", "p", "n". Немає асиметрії: я просто довільно вирішив намалювати символ в один бік, але це не має значення, оскільки BJT має певний прибуток, навіть якщо перевернути його догори ногами, особливо коли BJT, про який ви говорите, є паразитичним в MOSFET і максимальний приріст не були ціллю дизайну.

— Філ Мороз

Далі до відповіді Філа, час від часу ви побачите зображення MOSFET, що дає більш детальну інформацію про асиметрію

введіть тут опис зображення

^{З електроніки-підручники.wa}

Асиметричний зв’язок від субстрату (тіла) до джерел показаний пунктирною лінією.

— RedGrittyBrick
джерело

Геометрія дискретних MOSFET дуже відрізняється від інтегрованої; хоча інтегрована NFET матиме P-підкладку, багато дискретних MOSFET мають підкладку типу N, яка підключена до стоку з одного боку транзистора; підстава (яка поводиться як підкладка інтегрованого MOSFET) та джерело з'єднані з іншого боку транзистора.

— supercat

З точки зору фізичного пристрою, вони однакові. Однак, коли виробляються дискретні БНТ, є внутрішній діод, утворений підкладкою, який має свій катод на зливі та анод на джерелі, тому ви повинні використовувати позначений термінал зливу як джерело та маркований джерельний термінал як джерело.

— Бретт Прудом
джерело