Нужно ли дублировать 4-е соединение «подложки» при построении КМОП-затворов из дискретных транзисторов?

Все цифровые интегральные схемы CMOS, которые я когда-либо видел, соединяют все подложки nFET вместе с GND.

В частности, вентиль IC CMOS NAND имеет один nFET, подложка которого подключена к GND, а его исток подключен к какому-то другому внутреннему узлу.

Если я соберу вентиль И-НЕ из дискретных транзисторов nFET и pFET по образовательным причинам, нужно ли мне дублировать это соединение с подложкой, используя 4-контактный транзистор (с отдельным выводом подложки), чтобы заставить его работать? Или эта NAND по-прежнему будет работать так же хорошо с 3-контактными дискретными транзисторами, когда подложка «неправильно» подключена к выводу источника?

Есть ли что-то волшебное в транзисторе с 4 выводами, у которого вывод «источник» не привязан к его подложке, например, внутри микросхемы, который не может быть продублирован отдельным дискретным транзистором с 3 выводами?

(Этот вопрос был вдохновлен некоторыми комментариями в Рекомендации для цифрового инвертора, сделанного из дискретных компонентов ).

Ответы (3)

Короткий ответ: вам не нужны 4 терминальных полевых транзистора для построения логики CMOS.

Некоторый фон:

В простом процессе CMOS (пластина P-типа, N-колодцы) контакт подложки напрямую соединен с проводящей пластиной. Это означает, что клеммы корпуса всех NFET в основном закорочены друг от друга. Аналогичный эффект происходит с PFET, хотя он не такой абсолютный. Они соединены вместе не для повышения производительности, а потому, что это дешевле и проще в производстве.

В связи с этим возникает вопрос: если бы нам пришлось соединить клеммы корпуса всех устройств NFET вместе, какое напряжение мы бы хотели, чтобы оно было? Для NFET соединения корпус-исток и корпус-сток обычно выглядят как диоды с обратным смещением. Для поддержания обратного смещения этих диодов напряжение на корпусе должно быть меньше В Д  или  В С + 0,6  вольт . Обычно это делается путем привязки подложки/корпуса к самому отрицательному напряжению, присутствующему в системе. В цифровых системах это обычно заземление. В С С . Клемма корпуса PFET обычно подключается к наиболее положительному напряжению или В Д Д по аналогичным причинам.

Для полевых транзисторов с 3 выводами, где исток и корпус закорочены внутри, внутренние диоды никогда не будут смещены в прямом направлении, если исток всегда находится под более низким напряжением, чем сток. Если вы застряли с 4-выводными транзисторами, строящими дискретные затворы, это будет работать с телами, подключенными к В С С и В Д Д , а так же будет работать с корпусом, закороченным на исток.

Четырехвыводные полевые транзисторы не нужны для «обычных» логических схем КМОП, которые выражаются в виде комбинации вентилей «nand» и «nor», но есть некоторые хитрые схемы, в которых транзисторы могут работать в обоих направлениях. Например, рассмотрим схему с пятью входами для вычисления AB+CD+AED+BEC. Десять транзисторов (пять N-канальных, пять P-канальных), но транзисторы для входа E должны быть способны переключать ток в обоих направлениях.
@supercat - Конечно, если вы начнете делать причудливые вещи, такие как передающие затворы / проходные транзисторы, тогда необходима общая подложка. Это позволяет «переключать» исток и сток. Однако я думаю, что топологию с большей вероятностью можно найти внутри чипа, чем на чьей-то макетной плате.
Тот факт, что четырехвыводные полевые транзисторы не так широко доступны, как трехвыводные, не поощряет использование таких приемов в логике дискретных транзисторов. С другой стороны, желание сэкономить детали может вдохновить на приемы, которые могут быть менее распространены на чипе. Примерно в 1980 году (мне было около 10 лет) я сконструировал вентиль XOR с двумя транзисторами, двумя диодами и несколькими резисторами (ток при +12 был «истинным», а отсутствие тока было «ложным»). Если бы транзисторы были полевыми транзисторами, а не биполярными транзисторами, диоды не понадобились бы. Я никогда не слышал о чипе NMOS, использующем такую ​​реализацию вентиля XOR внутри...
... хотя это был бы еще более привлекательный дизайн, чем версия BJT (с полевыми МОП-транзисторами NMOS это было бы XNOR, а не XOR). Просто подключите исток каждого МОП-транзистора к одному входу, а затвор — к другому входу. Свяжите дренажи вместе подтяжкой. Если один вход высокий, а другой низкий, выход низкий; в противном случае это высокое. Сила возбуждения на выходе будет слабее, чем мощность возбуждения на входе, но даже добавление инверторов к обоим входам даст 4-транзисторный 3-резисторный вентиль XNOR — меньше, чем другие версии NMOS, которые я видел.

В дополнение к тому, что сказал W5VO, транзисторы с 4 выводами также полезны для аналоговой электроники на процессах CMOS.

В таких случаях иногда корпус транзистора может быть подключен к некоторому промежуточному напряжению вместо VDD или VSS. Это можно использовать для модуляции VTH транзистора с помощью эффекта тела . Это описано здесь .

Вы можете сделать логику, не отделяя соединение подложки/объема/корпуса от источника. Но если вы хотите поэкспериментировать и создать схемы, похожие на микросхемы КМОП, то вам нужны 4-выводные МОП-транзисторы, вы можете использовать CD4007UB .

Нужно ли дублировать 4-е соединение «подложки» при построении КМОП-затворов из дискретных транзисторов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v