MOSFET: Почему сток и исток разные?

Почему сток и вывод истока MOSFET функционируют по-разному, в то время как их физическая структура аналогична/симметрична?

Это МОП-транзистор:
МОП-транзистор

Вы можете видеть, что сток и источник похожи.
Так зачем мне нужно подключать один из них к VCC, а другой к GND?

Ответы (3)

Миф: производители сговариваются размещать внутренние диоды в дискретных компонентах, поэтому только разработчики интегральных схем могут делать аккуратные вещи с 4-контактными МОП-транзисторами.

Правда: 4-контактные МОП-транзисторы не очень полезны.

Любой PN-переход является диодом (помимо других способов изготовления диодов). У МОП-транзистора их два, вот здесь:

МОП-транзистор с диодами

Этот большой кусок кремния, легированного фосфором, является телом или подложкой . Учитывая эти диоды, можно увидеть, что очень важно, чтобы корпус всегда находился под более низким напряжением, чем исток или сток. В противном случае вы сместите диоды в прямом направлении, а это, вероятно, не то, что вам нужно.

Но подождите, дальше будет хуже! BJT — это трехслойный сэндвич из материалов NPN, верно? МОП-транзистор также содержит BJT:

МОП-транзистор с BJT

Если ток стока велик, то и напряжение на канале между истоком и стоком может быть высоким, т.к. р Д С ( о н ) не равно нулю. Если он достаточно высок, чтобы сместить в прямом направлении диод истока тела, у вас больше нет полевого МОП-транзистора: у вас есть биполярный транзистор. Это тоже не то, что вы хотели.

В устройствах CMOS дело обстоит еще хуже. В CMOS у вас есть структуры PNPN, которые образуют паразитный тиристор. Это то, что вызывает защелкивание .

Решение: короткое замыкание тела на источник. Это закорачивает базу-эмиттер паразитного биполярного транзистора, надежно удерживая его в выключенном состоянии. В идеале вы не делаете это через внешние выводы, потому что тогда «короткое замыкание» также будет иметь высокую паразитную индуктивность и сопротивление, что сделает «удержание» паразитного биполярного транзистора не таким сильным. Вместо этого вы закорачиваете их прямо на кубике.

Вот почему MOSFET несимметричны. Возможно, некоторые конструкции в остальном симметричны, но чтобы сделать полевой МОП-транзистор, который ведет себя надежно как МОП-транзистор, вы должны замкнуть одну из этих N областей на корпус. Что бы вы ни сделали, это теперь источник, а диод, который вы не замкнули, является «диодом тела».

На самом деле это не относится к дискретным транзисторам. Если у вас есть 4-контактный MOSFET, вам нужно убедиться, что корпус всегда находится под самым низким напряжением (или самым высоким, для устройств с P-каналом). В ИС корпус является подложкой для всей ИС, и он обычно подключается к земле. Если тело находится при более низком напряжении, чем источник, то необходимо учитывать эффект тела . Если вы посмотрите на КМОП-схему, где есть исток, не подключенный к земле (например, вентиль И-НЕ ниже), это не имеет большого значения, потому что, если B имеет высокий уровень, то самый нижний транзистор открыт, а один выше его источник действительно подключен к земле. Или B имеет низкий уровень, а выход высокий, и в нижних двух транзисторах нет тока.

Схема КМОП-памяти NAND

В NFET явно необходимо, чтобы потенциалы истока и стока были не ниже потенциала тела, но это не означает, что исток и сток должны иметь фиксированную полярность по отношению друг к другу. Нередко возникает ситуация, когда нужно соединить или разъединить две точки, обе из которых всегда будут выше некоторой «наземной» точки, но одна из них может быть выше другой. Для этого можно было бы использовать два полевых МОП-транзистора, но это было бы несколько расточительно, если бы «четырехвыводной МОП-транзистор» мог выполнить эту работу.
@supercat конечно, но тогда вы должны учитывать паразитные емкости и индуктивности и анализировать свою схему, чтобы гарантировать, что исток и сток остаются при более высоких потенциалах, чем тело, даже при наличии высоких dv / dt или di / dt. Учитывая, что эти паразиты сильно зависят от компоновки и производственных вариаций, во многих случаях это кажется более сложным, чем альтернатива разработки драйвера с плавающим затвором и использования обычного MOSFET с 3 выводами.
Есть много схем, где трехвыводные МОП-транзисторы просто великолепны. Однако бывают случаи, когда необходимо переключать ток в двух направлениях. Можно было бы использовать встречно-параллельные полевые МОП-транзисторы, но это кажется несколько расточительным. Может случиться так, что соединение источник/подложка настолько выгодно для геометрии процесса, что встречно-параллельные пары с заданным RDSON и способностью обработки тока можно сделать дешевле, чем один полевой МОП-транзистор с изолированной базой, и в этом случае он будет на самом деле не расточительно, но я не знаю, так ли это.
Хм. Почему паразитный BJT является NPN, а не PNP, и почему он указывает от стока к истоку, а не от истока к стоку? Другими словами, откуда берется асимметрия?
@JasonS Это NPN, потому что кремний легирован именно так. Посмотрите на картинку и вы сможете прочитать: «н», «р», «н». Асимметрии нет: я просто произвольно решил нарисовать символ одним способом, но это не имеет значения, потому что BJT имеет некоторый выигрыш, даже если вы перевернете его вверх ногами, особенно когда BJT, о котором вы говорите, является паразитным в МОП-транзистор и максимизация усиления не были целью дизайна.
о.... точно, понял. Я постоянно забываю, что это делают «обычные» NPN, просто они асимметричны по отношению к напряжению пробоя.
В типичных интегральных схемах многие транзисторы имеют общую клемму корпуса. Вы делаете это таким образом, а не делаете корпус для каждого транзистора, потому что он меньше, дешевле, быстрее и более энергоэффективен. С SOI и современными технологиями все опять немного по-другому.
@PhilFrost Как соединить тело с источником «прямо на кристалле»? В чем разница между просто соприкосновением их как стока и корпуса? Благодарю.
Спасибо за это объяснение, теперь я также понимаю, откуда взялся этот «обратный диод» внутри полевых МОП-транзисторов. Если я хочу использовать МОП-транзистор в качестве переключаемого диода (чтобы обойти падение напряжения на диодах), этот обратный диод внутри МОП-транзистора будет раздражать. Могу ли я просто поменять местами сток и исток для этого варианта использования, или тогда я получу паразитные эффекты, потому что сток (теперь исток), вероятно, имеет более низкий потенциал, чем корпус (хотя и ограничен внутренним стоком-диодом корпуса)?

В дополнение к ответу Фила иногда вы увидите изображение полевого МОП-транзистора, которое дает более подробную информацию об асимметрии.

введите описание изображения здесь

Из electronics-tutorials.wa

Асимметричная связь от подложки (тела) к источникам показана пунктирной линией.

Геометрия дискретных МОП-транзисторов сильно отличается от интегральных; в то время как интегрированный NFET будет иметь P-подложку, многие дискретные MOSFET имеют подложку N-типа, которая подключена к стоку на одной стороне транзистора; база (которая ведет себя как подложка интегрированного полевого МОП-транзистора) и исток подключены к другой стороне транзистора.

С точки зрения физического устройства они одинаковы. Однако при производстве дискретных полевых транзисторов имеется внутренний диод, образованный подложкой, у которой катод находится на стоке, а анод — на истоке, поэтому вы должны использовать помеченный вывод стока в качестве стока и отмеченный вывод истока в качестве истока.

MOSFET: Почему сток и исток разные?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v