MOSFET: Warum sind Drain und Source unterschiedlich?

Warum funktionieren der Drain- und der Source-Anschluss des MOSFET unterschiedlich, während ihre physikalische Struktur ähnlich / symmetrisch ist?

Dies ist ein MOSFET:
MOSFET

Sie können sehen, dass Drain und Source ähnlich sind.
Warum muss ich also einen von ihnen mit VCC und den anderen mit GND verbinden?

Antworten (3)

Mythos: Hersteller verschwören sich, interne Dioden in diskrete Komponenten einzubauen, sodass nur IC-Designer mit 4-Anschluss-MOSFETs ordentliche Dinge tun können.

Wahrheit: MOSFETs mit 4 Anschlüssen sind nicht sehr nützlich.

Jeder PN-Übergang ist eine Diode (neben anderen Möglichkeiten, Dioden herzustellen). Ein MOSFET hat zwei davon, genau hier:

MOSFET mit Dioden

Dieses große Stück P-dotiertes Silizium ist der Körper oder das Substrat . Wenn man diese Dioden betrachtet, kann man sehen, dass es ziemlich wichtig ist, dass der Körper immer eine niedrigere Spannung hat als die Source oder der Drain. Andernfalls spannen Sie die Dioden in Vorwärtsrichtung vor, und das ist wahrscheinlich nicht das, was Sie wollten.

Aber warte, es kommt noch schlimmer! Ein BJT ist ein dreischichtiges Sandwich aus NPN-Materialien, richtig? Ein MOSFET enthält auch einen BJT:

MOSFET mit BJT

Wenn der Drain-Strom hoch ist, dann kann auch die Spannung über dem Kanal zwischen Source und Drain hoch sein, weil R D S ( Ö n ) ist ungleich Null. Wenn es hoch genug ist, um die Body-Source-Diode in Vorwärtsrichtung vorzuspannen, haben Sie keinen MOSFET mehr: Sie haben einen BJT. Das wolltest du auch nicht.

Bei CMOS-Geräten wird es noch schlimmer. In CMOS haben Sie PNPN-Strukturen, die einen parasitären Thyristor bilden. Dies verursacht Latchup .

Lösung: Den Körper zur Quelle kurzschließen. Dies schließt den Basisemitter des parasitären BJT kurz und hält ihn fest ab. Idealerweise tun Sie dies nicht über externe Leitungen, da der "Kurzschluss" dann auch eine hohe parasitäre Induktivität und einen hohen Widerstand hätte, wodurch das "Abhalten" des parasitären BJT nicht so stark wird. Stattdessen schließen Sie sie direkt am Würfel kurz.

Aus diesem Grund sind MOSFETs nicht symmetrisch. Es kann sein, dass einige Designs ansonsten symmetrisch sind, aber um einen MOSFET herzustellen, der sich zuverlässig wie ein MOSFET verhält, müssen Sie eine dieser N-Regionen mit dem Körper kurzschließen. Für wen auch immer Sie das tun, es ist jetzt die Quelle, und die Diode, die Sie nicht kurzgeschlossen haben, ist die "Body-Diode".

Dies ist wirklich nichts Spezifisches für diskrete Transistoren. Wenn Sie einen MOSFET mit 4 Anschlüssen haben, müssen Sie sicherstellen, dass der Körper immer auf der niedrigsten Spannung (oder der höchsten bei P-Kanal-Geräten) liegt. Bei ICs ist der Körper das Substrat für den gesamten IC und normalerweise mit Masse verbunden. Wenn der Körper eine niedrigere Spannung als die Quelle hat, müssen Sie den Körpereffekt berücksichtigen . Wenn Sie sich eine CMOS-Schaltung ansehen, bei der eine Quelle nicht mit Masse verbunden ist (wie das NAND-Gatter unten), spielt dies keine Rolle, denn wenn B hoch ist, ist der unterste Transistor eingeschaltet, und zwar derjenige darüber ist seine Source tatsächlich mit Masse verbunden. Oder B ist niedrig und der Ausgang ist hoch und es gibt keinen Strom in den unteren beiden Transistoren.

CMOS-NAND-Schema

In einem NFET ist es natürlich notwendig, dass die Source- und Drain-Potentiale nicht niedriger als das Körperpotential sind, aber das bedeutet nicht, dass Source und Drain eine feste Polarität relativ zueinander haben müssen. Es kommt kaum selten vor, dass man zwei Punkte verbinden oder trennen möchte, die beide immer höher als ein "Masse" -Punkt sind, aber einer von beiden höher als der andere sein kann. Man könnte dafür zwei MOSFETs verwenden, aber das würde etwas verschwenderisch erscheinen, wenn ein "Vier-Anschluss-MOSFET" die Arbeit erledigen könnte.
@supercat sicher, aber dann müssen Sie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten berücksichtigen und Ihre Schaltung analysieren, um sicherzustellen, dass Source und Drain auch bei hohen dv / dt oder di / dt auf höheren Potentialen als der Körper bleiben. Angesichts der Tatsache, dass diese Parasiten stark von Layout- und Herstellungsvariationen abhängen, scheint dies in vielen Fällen schwieriger zu sein als die Alternative, einen Floating-Gate-Treiber zu entwerfen und einen gewöhnlichen MOSFET mit drei Anschlüssen zu verwenden.
Es gibt viele Schaltungen, in denen MOSFETs mit drei Anschlüssen einfach großartig sind. Es gibt jedoch Zeiten, in denen es notwendig ist, Strom in zwei Richtungen zu schalten. Man könnte Back-to-Back-MOSFETs verwenden, aber das erscheint etwas verschwenderisch. Es kann sein, dass eine Source/Substrat-Verbindung für die Verarbeitungsgeometrie so vorteilhaft ist, dass ein Rücken-an-Rücken-Paar mit einer bestimmten RDSon- und Strombelastbarkeit billiger gemacht werden kann als ein einzelner MOSFET mit isolierter Basis, in diesem Fall wäre dies der Fall nicht wirklich verschwenderisch sein, aber ich weiß nicht, ob das der Fall ist.
Hmm. Warum ist der parasitäre BJT eher ein NPN als ein PNP, und warum zeigt er eher von Drain zu Source als von Source zu Drain? Mit anderen Worten, woher kommt die Asymmetrie?
@JasonS Es ist ein NPN, weil das Silizium so dotiert ist. Schauen Sie sich das Bild an und Sie können lesen: "n", "p", "n". Es gibt keine Asymmetrie: Ich habe mich nur willkürlich dafür entschieden, das Symbol in eine Richtung zu zeichnen, aber es spielt keine Rolle, da ein BJT einen gewissen Gewinn hat, selbst wenn Sie es auf den Kopf stellen, insbesondere wenn der BJT, von dem Sie sprechen, der parasitäre ist ein MOSFET und die Maximierung der Verstärkung war kein Designziel.
oh .... richtig, verstanden. Ich vergesse immer wieder, dass "normale" NPNs dies tun, es ist nur so, dass sie mit / r / t-Durchbruchspannung asymmetrisch sind.
In typischen integrierten Schaltungen teilen sich viele Transistoren den Körperanschluss. Sie machen es so, anstatt für jeden Transistor einen Körper zu bauen, weil es kleiner, billiger, schneller und energieeffizienter ist. Bei SOI und modernen Technologien sieht es wieder etwas anders aus.
@PhilFrost Wie schließt man den Körper zur Quelle "direkt am Würfel" kurz? Was ist der Unterschied zwischen dem einfachen Kontakt mit dem Abfluss und dem Körper? Vielen Dank.
Vielen Dank für diese Erklärung, jetzt verstehe ich auch, woher diese "Sperrdiode" in MOSFETs kommt. Wenn ich einen MOSFET als geschaltete Diode verwenden möchte (um den Spannungsabfall über Dioden zu umgehen), ist diese Sperrdiode im MOSFET ein Ärgernis. Kann ich für diese Anwendungsfälle einfach Drain und Source tauschen, oder bekomme ich dann parasitäre Effekte, weil der Drain (jetzt Source) wahrscheinlich ein niedrigeres Potential hat als der Körper (obwohl durch die interne Body-Drain-Diode begrenzt)?

Neben Phils Antwort sehen Sie gelegentlich eine Darstellung eines MOSFET, die mehr Details zur Asymmetrie enthält

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Von electronic-tutorials.wa

Die asymmetrische Verbindung vom Substrat (Körper) zu den Quellen ist als gepunktete Linie dargestellt.

Die Geometrie von diskreten MOSFETs unterscheidet sich stark von der von integrierten; Während ein integrierter NFET ein P-Substrat hat, haben viele diskrete MOSFETs ein N-Typ-Substrat, das auf einer Seite des Transistors mit dem Drain verbunden ist. Die Basis (die sich wie das Substrat eines integrierten MOSFET verhält) und Source sind auf der anderen Seite des Transistors verbunden.

Aus Sicht des physischen Geräts sind sie gleich. Wenn jedoch diskrete FETs hergestellt werden, gibt es eine interne Diode, die durch das Substrat gebildet wird, das seine Kathode am Drain und die Anode an der Source hat, sodass Sie den markierten Drain-Anschluss als Drain und den markierten Source-Anschluss als Source verwenden müssen.

MOSFET: Warum sind Drain und Source unterschiedlich?
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