Почему МОП-транзистор с обратным подключением начинает включаться при Vgs

Почему обратно подключенный МОП-транзистор начинает включаться примерно при Vgs >= 0,4 В, когда опубликованное значение Vgs(th) составляет минимум 0,65 В?

• Приведенные ниже утверждения относительно полярности сделаны для N-канального устройства.
  Эквивалентные операторы канала P также применимы.

Результаты, которые вы видите, обусловлены (хорошо известным в отрасли, но менее известным в народном понимании) асимметричным поведением характеристик MOSFET Vgs/Ids при значениях Vgs как вокруг, так и ниже Vgs(th)_forward.

В частности, Vgs(th) может быть значительно ниже или даже намного ниже, когда Vds отрицательное (но обязательно <= Vf(body_diode), а Ids_max может быть очень существенно выше для заданного Vgs, когда Vds отрицательное. Это именно те результаты, которые вы видите.

• Изучение рис. A.1 ниже и соответствующего текста дает по существу полное описание того, ЧТО вы видите.

• Описание ПОЧЕМУ (для смелых :-)) см. в цитируемой ссылке и соответствующем материале ниже.

Обратите внимание, что, хотя в документе указано, что информация относится к устройствам TRENCH MOS, в нем также отмечается

    This characteristic behavior is not exclusive of trench MOS technologies 
    as it may also occur in other types of vertical MOSFETs such as DMOS, 
    CoolMOSTM, and planar structures.

Их последующее суммирование объясняет то, что вы видите.
Обратите внимание, что числовые значения относятся к устройству, с которым они имеют дело, и аналогичны по своей природе, но несколько отличаются по абсолютным значениям от вашего примера.

«По результатам измерений видно, что:

• Прямая характеристика внутреннего диода, по-видимому, модулируется напряжением Vgs в подпороговой области, даже при отрицательных значениях Vgs вплоть до 1 В [для рассматриваемого устройства].

• При данном Vgs в пороговой области (т. е. при напряжении Vgs, близком к Vgs(th)) величина тока стока в третьем квадранте намного больше, чем в первом квадранте, также при низких Vds. Например, при Vgs = 2 В и Vds = -0,5 В ток стока достигает 40 А. Однако в первом квадранте максимальный ток стока при том же Vgs составляет всего несколько ампер.

• Симметричная характеристика между первым и третьим квадрантом появляется ... при высоких значениях Vgs.

_____________________________________________

Это 15-страничное приложение «Третий квадрант выходных характеристик низковольтных траншейных полевых МОП-транзисторов по постоянному току» * представляет собой полезное введение в предмет, а в Интернете доступно множество других материалов.

• * В тексте Т. Лопес и др., Регуляторы напряжения для микропроцессоров следующего поколения, DOI 10.1007/978-1-4419-7560-7, # Springer ScienceþBusiness Media, LLC, 2011 г.

Следующие цитаты (отредактированные для краткости) взяты из приведенного выше текста:

• В следующих подразделах более подробно описываются выходные характеристики третьего квадранта путем рассмотрения внутренней структуры устройства и анализа происхождения этой значительной обратной проводимости тока.

• Производители полупроводников обычно указывают выходные характеристики силовых МОП-транзисторов по постоянному току в таблицах данных, ... Тем не менее, такая спецификация относится только к работе в первом квадранте, ... . Что касается третьего квадранта, то есть напряжения Vds является отрицательным, только прямая характеристика внутреннего диода обычно указывается для нулевого напряжения Vgs. Никакой дополнительной информации о токе канала в третьем квадранте и его зависимости от Vgs не приводится.

  В схемах моделирования...

  • обычно предполагается, что первый и третий квадранты симметричны
  • и что прямая характеристика внутреннего диода не зависит от vGS [1, 2].
    .

  Как показано на рис. А.1, такое предположение не всегда справедливо. На графике показаны экспериментальные результаты, соответствующие выходным характеристикам N-канального силового траншейного МОП-транзистора (PHB96NQ03L).

____________________________

Поведение вашего устройства для сравнения.
Если бы устройство вело себя симметрично, можно было бы ожидать, что «желтоватая» кривая, ограниченная корпусным диодом, будет расширяться примерно до Vgs(th)_forward примерно при Vgs = 0,6 В.

Связанный:

Эта ссылка Power MOSFET Basics от Alpha-Omega Semiconductor, предоставившая техническое описание и, предположительно, правильную модель LTSpice, описывает наблюдаемое поведение на своих графиках, но, похоже, упускает из виду моменты, поднятые выше (см. стр. 4) в своем тексте!

Вышеупомянутая статья цитируется в ряде веб-документов.

Цитируемое приложение взято из этой книги — Регуляторы напряжения для микропроцессоров следующего поколения — авторское право Springer, 2011.

МОП-транзистор на самом деле представляет собой устройство с 4 выводами: затвор, исток, сток и корпус. Если вы покупаете дискретный полевой МОП-транзистор в 3-контактном корпусе, корпус внутренне подключен к источнику. Эти устройства предназначены для использования с терминалом истока, всегда подключенным к более низкому/более высокому напряжению, чем сток для транзистора NMOS/PMOS. Кроме того, по своей сути существует соединение PN от корпуса к истоку и стоку. В 3-контактном устройстве источник закорочен на корпус, так что соединение не имеет значения. Однако, если мы позволим напряжению стока стать значительно ниже/выше (NMOS/PMOS), чем напряжение на истоке-корпусе, мы рискуем сместить паразитный диод между корпусом и стоком в прямом направлении.

Так что же происходит при слишком низком напряжении, чтобы сместить этот диод в прямом направлении? В этой ситуации мы должны рассмотреть, что мы действительно подразумеваем под «источником» и «истоком». Для 4-выводного МОП-транзистора может не быть физической разницы между истоком и стоком, поэтому тот из них, который находится при более низком напряжении (для NMOS), будет в этот момент времени истоком, а вывод - более высоким. напряжение становится стоком. Вы заметили, что когда обычное понимание$V_{DS}$инвертируется, то клеммы истока и стока меняются местами, и транзистор может работать в «обратном» направлении.

Это происходит по замыслу аналоговых мультиплексоров, в которых используются полевые МОП-транзисторы. В течение многих лет пороговые напряжения обычных 3-контактных МОП-транзисторов были достаточно высокими, поэтому вы обычно не видели значительной проводимости в «обратном» направлении до того, как паразитный корпусной диод начал проводить. Теперь, когда у нас есть 3-выводные МОП-транзисторы с низкими пороговыми напряжениями, можно увидеть нормальную проводимость МОП-транзисторов при низких значениях напряжения сток-исток, которые обычно считаются «обратным» напряжением.

Добавлен:

Это оказывается гораздо лучшим и более полезным вопросом, чем кажется на первый взгляд. Таким образом, я добавляю второй ответ, в котором основное внимание уделяется специфике.

Хотя приведенный ниже ответ по существу правильный и полезный, мой новый ответ подчеркивает известные различия в идентификаторах 1-го и 3-го квадрантов с Vgs ниже Vgs (th) в МОП-транзисторах. Некоторые из «может быть, это» в моем первоначальном ответе отражены в моем новом ответе.

______________________________________________________________________

"Проблема" в несколько раз. Некоторые из этих пунктов кажутся «придирками» (тривиальными и/или преувеличенными), и в какой-то степени так и есть, но ваш вопрос, хотя и хороший, также попадает в ту же категорию, и мы должны рассмотреть «все мелочи», чтобы увидеть возможные причины. В конечном счете, вы пытаетесь извлечь данные с очень малой точностью из устройства, находящегося на крайнем конце его рабочего диапазона, где либо не требуется никакой точности, либо очень небольшие эффекты становятся значительными.

• Ваши результаты моделируются.
  Что происходит с реальным физическим устройством?
  Насколько хорош симулятор?
  Откуда вы знаете?

• Таблица данных и графические значения являются типичными. Даже типичный минимум остается типичным, если не указано иное. Табличные значения для мин./макс. обычно принимаются в качестве жестких ограничений, если также выполняются соответствующие условия . Графики почти всегда «типичны».

• Обычно мы смотрим на минимальные / типичные / максимальные значения Vgsth в таблице данных для заданных идентификаторов и неправильно применяем их к тому, что мы обычно видим в наблюдаемой схеме. И соответствующие кривые таблицы данных (здесь рис. 1 и 2 на странице 3 таблицы данных) по существу бесполезны при рассмотрении областей работы с низким током и низким напряжением. Тенденция состоит в том, чтобы ПОПЫТАТЬСЯ применять их и придумывать «ноль», когда это не правильный ответ.
  График на рис. 2 предполагает, что Ids ~~ 0,000 для Vgs <= около 1,4 В, но где бы вы отложили Ids = 100 мА по оси Y? :-).

  • В таблице данных на стр. 2 Vgs(th) указано как 0,65 1,05 1,45 В мин./тип./макс.
    Это НЕ "...Vgs далеко от Vth...", как отмечено в комментарии. НО, глядя на значение в техпаспорте, необходимо отметить дополнительную спецификацию. Данное значение V_gs(th) соответствует Vds = Vgs, Id = 250 мкА. Здесь для полевого МОП-транзистора с прямым подключением Vds примерно в 20 раз выше, чем Vgs (5 В и около 0,5 В), а для полевого МОП-транзистора с обратным подключением Vds/Vgs выше при очень низком Vgs (Vds ~= 0,58 В из-за диода для 0 < Vgs < 0,5 В) и все еще примерно на 50% выше (0,58 В), поскольку полевой МОП-транзистор начинает заметно проводить, как Vgs - 0,4 В.

• Значения моделирования могут быть оптимизированы для типичных токов, которые составляют, скажем, 0,1–5 А и, возможно, 1–50 А (см. графики в технических характеристиках), в то время как здесь мы имеем дело примерно с 50 мА и дельтами около 500 мкА.

• Часть реального мира может быть лучше, чем таблица данных с течением времени, как это бывает, это таблица данных 2011 года. Таким образом, они МОГЛИ скорректировать симулятор, а не техническое описание 8-летней давности. Что было бы озорно. Но бывает.
  Или значения моделирования могут не точно соответствовать таблице данных и / или реальному продукту, и на этом уровне усилия, необходимые для улучшения модели, могут быть сочтены достаточно важными.

• Графики Vgs / Vds в технических характеристиках указаны только для работы в 1-м квадранте. Как вы знаете, для N-канального МОП-транзистора (такого как этот) Vgs всегда должен быть положительным для усиления МОП-транзистора, но Vds может иметь любой знак. Но нет уверенности в том, что устройство абсолютно электрически симметрично ни для обратной полярности Vds, ни для полярности Vgs по отношению к Vds. Если бы различия были большими и / или важными, производитель, надеюсь, сказал бы об этом, но даже это не обязательно. Поскольку Vds с обратной полярностью ограничен диапазоном от 0 до чуть менее 1 В из-за внутреннего диода, обратный квадрант Vds обычно представляет ограниченный интерес. Но не в особых случаях, таких как этот.

На приведенном ниже графике (взятом из вашего увеличенного изображения) показаны мои интерпретированные/интерполированные значения для ряда ключевых точек. Я рассчитал токи в различных точках и относительное влияние внутреннего диода и сопротивления канала, когда канал начинает заметно проводить. Я не добавил их, так как это уже заняло больше времени, чем я надеялся. Вышеизложенное может дать достаточный брод для размышлений. Если есть какие-либо звуки, достойные продолжения, вопросы приветствуются.

Извините, хотя это вопрос трехлетней давности, я недавно наткнулся на него и нашел более разумный ответ.

Вы, возможно, заметили, что для полевого МОП-транзистора слева

• напряжение источника положительное
• напряжение стока заземлено
• терминал тела подключен к источнику

Обратите внимание, что это относится к физическому или номинальному источнику и стоку. Фактически, из-за структуры MOSFET исток и сток одинаковы, поэтому ток может течь в обоих направлениях.

С точки зрения схемы, «исток» N-канального МОП-транзистора — это клемма с МИНИМАЛЬНЫМ напряжением, а «сток» N-канального МОП-транзистора — клемма с ВЫСОКИМ напряжением.

Таким образом, вы можете рассматривать левый MOSFET как следующий случай.

• напряжение на стоке положительное
• исходное напряжение заземлено
• клемма корпуса подключена к сливу

В этом случае, поскольку напряжения источника и тела несовместимы, это вызывает эффект тела .

Согласно формуле эффекта тела, VSB отрицательна, поэтому Vth становится меньше.

Кроме того, это соединение также заставит существовать внутренний диод, что немного увеличит ток.

Знаете ли вы, что каждый полевой МОП-транзистор имеет встроенный диод между стоком и истоком?

В вашем случае анод бортового диода подключается к клемме истока, а катод — к клемме стока.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вот почему вы получаете 0,6 В, когда MOSFET подключен обратно. Потому что этот диод теперь смещен в прямом направлении и проводит ток.

Я использую вот этот http://www.aosmd.com/products/mosfets/n-channel/AO3400

И получить такие результаты: