МОП-транзистор: почему сток и источник разные?

Почему сток истока терминала MOSFET функционирует по-разному, в то время как их физическая структура похожа / симметрична?

Это МОП-транзистор:

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

mosfet physics

— жук
источник

Миф: производители сговариваются о размещении внутренних диодов в отдельных компонентах, чтобы только конструкторы ИС могли делать аккуратные вещи с 4-контактными МОП-транзисторами.

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

Любой PN переход является диодом (среди прочих способов изготовления диодов). У MOSFET есть два из них, прямо здесь:

МОП-транзистор с диодами

Этот большой кусок кремния, легированного P, представляет собой корпус или подложку . Рассматривая эти диоды, можно заметить, что очень важно, чтобы тело всегда находилось под более низким напряжением, чем источник или сток. В противном случае, вы смещаете диоды вперед, и это, вероятно, не то, что вы хотели.

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

МОП-транзистор с BJT

Если ток стока велик, то напряжение на канале между истоком и стоком также может быть высоким, поскольку не равен нулю. Если он достаточно высок для прямого смещения диода источника тела, у вас больше нет МОП-транзистора: у вас есть BJT. Это также не то, что вы хотели. $R_{DS(on)}$

В CMOS-устройствах это становится еще хуже. В CMOS у вас есть структуры PNPN, которые создают паразитный тиристор. Это то, что вызывает latchup .

Решение: закорочить тело до источника. Это шортит базовый излучатель паразитного BJT, прочно удерживая его. В идеале вы не делаете это через внешние выводы, потому что тогда «короткие» также будут иметь высокую паразитную индуктивность и сопротивление, делая «сдерживание» паразитного BJT не таким сильным. Вместо этого вы закорачиваете их прямо на кубике.

Вот почему МОП-транзисторы не являются симметричными. Может случиться так, что некоторые конструкции в противном случае будут симметричными, но чтобы сделать МОП-транзистор, который надежно ведет себя как МОП-транзистор, вы должны закорочить одну из этих N областей на теле. В зависимости от того, что вы делаете, теперь это источник, а диод, который вы не замкнули, - это «диод корпуса».

Это не что-то конкретное для дискретных транзисторов, на самом деле. Если у вас есть 4-контактный полевой МОП-транзистор, вам необходимо убедиться, что корпус всегда находится под самым низким напряжением (или самым высоким для устройств с P-каналом). В микросхемах тело является основой для всей микросхемы, и обычно оно заземлено. Если тело находится под более низким напряжением, чем источник, то вы должны учитывать эффект тела . Если вы посмотрите на схему CMOS, где есть источник, не подключенный к земле (как, например, затвор NAND ниже), это не имеет большого значения, потому что, если B высокий, то самый нижний транзистор включен, и тот выше это на самом деле имеет свой источник, связанный с землей. Или, B низкий, а выход высокий, и в двух нижних транзисторах тока нет.

CMOS NAND схема

— Фил Фрост
источник

В NFET, безусловно, необходимо, чтобы потенциалы истока и стока были не ниже потенциала тела, но это не означает, что исток и сток должны иметь фиксированную полярность относительно друг друга. Вряд ли возникает ситуация, когда кто-то хочет соединить или отсоединить две точки, каждая из которых всегда будет выше некоторой «заземляющей» точки, но одна из которых может быть выше другой. Для этого можно было бы использовать два полевых МОП-транзистора, но это было бы несколько расточительно, если бы «четырехполюсный МОП-транзистор» мог справиться с этой задачей.

— суперкат

@supercat, конечно, но тогда вы должны учесть паразитные емкости и индуктивности и проанализировать вашу цепь, чтобы гарантировать, что источник и сток остаются при более высоких потенциалах, чем тело, даже в присутствии высоких dv / dt или di / dt. Учитывая, что эти паразитики сильно зависят от компоновки и производственных вариаций, во многих случаях это кажется более сложным, чем альтернатива разработки драйвера с плавающим затвором и использования обычного 3-терминального MOSFET.

— Фил Фрост

Есть много схем, где трехполюсные МОП-транзисторы просто великолепны. Однако бывают случаи, когда необходимо переключать ток в двух направлениях. Можно использовать двухполосные МОП-транзисторы, но это кажется несколько расточительным. Может случиться так, что соединение источник / подложка настолько выгодно для обработки геометрии, что пара «спина к спине» с данным RDSon и возможностью обработки тока может быть сделана дешевле, чем одиночный MOSFET с изолированной базой, и в этом случае он не будет на самом деле это не расточительно, но я не знаю, так ли это.

— суперкат

Хм. Почему паразитный BJT является NPN, а не PNP, и почему он указывает от стока к источнику, а не от источника к стоку? Другими словами, откуда берется асимметрия?

— Джейсон С

@JasonS Это NPN, потому что именно так легируется кремний. Посмотрите на картинку, и вы можете прочитать: «n», «p», «n». В этом нет никакой асимметрии: я просто произвольно решил нарисовать символ одним способом, но это не имеет значения, потому что BJT имеет некоторое усиление, даже если вы переворачиваете его вверх ногами, особенно когда BJT, о котором вы говорите, является паразитным в MOSFET и максимизация усиления не были целью дизайна.

— Фил Фрост

В дополнение к ответу Фила, иногда вы увидите изображение MOSFET, которое дает более подробную информацию об асимметрии

введите описание изображения здесь

^{Из электроники-tutorials.wa}

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

— RedGrittyBrick
источник

Геометрия дискретных МОП-транзисторов очень отличается от геометрии интегральных; в то время как встроенный 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 встроенного полевого транзистора) и источник подключены на другой стороне транзистора.

— суперкат

С точки зрения физического устройства они одинаковы. Однако, когда создаются дискретные полевые транзисторы, существует внутренний диод, образованный подложкой, катод которой расположен у стока, а анод - у источника, поэтому необходимо использовать отмеченную клемму стока в качестве стока и отмеченную клемму источника в качестве источника.

— Бретт Прюдом
источник