Warum der umgekehrt angeschlossene MOSFET bei Vgs einzuschalten beginnt

Warum beginnt sich der umgekehrt angeschlossene MOSFET ab etwa Vgs >= 0,4 V einzuschalten, wenn der veröffentlichte Vgs(th)-Wert mindestens 0,65 V beträgt?

• Die nachstehenden Aussagen zur Polarität beziehen sich auf ein N-Kanal-Gerät.
  Es gelten auch die entsprechenden P-Kanal-Anweisungen.

Die Ergebnisse, die Sie sehen, sind auf das asymmetrische Verhalten der MOSFET-Vgs / Ids-Eigenschaften bei Vgs-Werten um und unter Vgs(th)_forward zurückzuführen (in der Industrie bekannt, aber im allgemeinen Verständnis weniger bekannt).

Insbesondere kann Vgs(th) effektiv niedriger oder sogar sehr viel niedriger sein, wenn Vds negativ ist (aber notwendigerweise <= Vf(body_diode) und Ids_max kann für eine gegebene Vgs sehr wesentlich höher sein, wenn Vds negativ ist. Dies ist genau das Ergebnis du siehst.

• Die Untersuchung von Abb. A.1 unten und des zugehörigen Textes bietet eine im Wesentlichen vollständige Beschreibung, die zeigt, WAS Sie sehen.

• Für eine Beschreibung von WARUM (für die Mutigen :-) ) siehe die zitierte Referenz und das zugehörige Material unten.

Beachten Sie, dass das Papier zwar darauf hinweist, dass sich die Informationen auf TRENCH MOS-Geräte beziehen, es aber auch darauf hinweist

    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.

Ihre folgende Zusammenfassung erklärt, was Sie sehen.
Beachten Sie, dass sich die numerischen Werte auf das Gerät beziehen, mit dem sie es zu tun haben, und ähnlicher Natur sind, sich jedoch in absoluten Werten etwas von Ihrem Beispiel unterscheiden.

„Aus den Messergebnissen lässt sich folgendes ablesen:

• Die Durchlasscharakteristik der Bodydiode scheint durch die Spannung Vgs im Unterschwellenbereich moduliert zu werden, selbst bei negativen Vgs-Werten bis hinunter zu 1 V [für das betreffende Gerät].

• Bei einer gegebenen Vgs im Schwellenbereich (dh einer Spannung Vgs nahe Vgs(th)) ist die Größe des Drainstroms im dritten Quadranten viel größer als die im ersten Quadranten, auch bei niedrigen Vds. Beispielsweise erreicht der Drain-Strom bei Vgs = 2 V und Vds = -0,5 V 40 A. Im ersten Quadranten beträgt der maximale Drain-Strom bei gleicher Vgs jedoch nur etwa wenige Ampere.

• Eine symmetrische Charakteristik zwischen dem ersten und dritten Quadranten erscheint ... bei hohen Vgs.

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Dieser 15-seitige Anhang DC-Ausgangscharakteristiken von Niederspannungs-Trench-MOSFETs im dritten Quadranten * bietet eine nützliche Einführung in das Thema, und es gibt viel anderes Material, das „im Internet“ verfügbar ist.

• *Im Text T. Lo´pez et al., Voltage Regulators for Next Generation Microprocessors, DOI 10.1007/978-1-4419-7560-7, # Springer ScienceþBusiness Media, LLC 2011

Die folgenden Zitate (aus Gründen der Kürze bearbeitet) stammen aus dem obigen Text:

• In den folgenden Unterabschnitten werden die Ausgangseigenschaften des dritten Quadranten detaillierter beschrieben, indem die interne Struktur des Geräts betrachtet und der Ursprung dieser signifikanten Rückwärtsstromleitung analysiert wird.

• Halbleiterhersteller spezifizieren typischerweise die DC-Ausgangseigenschaften von Leistungs-MOSFETs in Datenblättern, ... Diese Spezifikation bezieht sich jedoch nur auf den Betrieb im ersten Quadranten, ... . Bezüglich des dritten Quadranten, dh die Spannung Vds ist negativ, wird üblicherweise nur die Durchlasskennlinie der Bodydiode für null Volt Vgs spezifiziert. Es werden keine weiteren Informationen über den Kanalstrom im dritten Quadranten und seine Vgs-Abhängigkeit bereitgestellt.

  In Schaltungssimulationen ...

  • üblicherweise wird angenommen, dass der erste und der dritte Quadrant symmetrisch sind
  • und dass die Durchlasscharakteristik der Bodydiode unabhängig von vGS ist [1, 2].
    .

  Wie in Abb. A.1 gezeigt, ist eine solche Annahme nicht immer gültig. Das Diagramm zeigt experimentelle Ergebnisse, die den Ausgangseigenschaften eines N-Kanal-Leistungs-Trench-MOSFET (PHB96NQ03L) entsprechen.

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Ihr Geräteverhalten zum Vergleich.
Wenn sich das Gerät symmetrisch verhält, würden Sie erwarten, dass sich die „gelbliche“ Körperdioden-Begrenzungskurve bis etwa Vgs(th)_forward bei etwa Vgs = 0,6 V erstreckt

Verwandt:

Diese Referenz Power MOSFET Basics von Alpha-Omega Semiconductor – die das coted-Datenblatt und vermutlich das korrekte LTSpice-Modell zur Verfügung gestellt hat – deckt das beobachtete Verhalten in seinen Diagrammen ab, scheint aber die oben angesprochenen Punkte (siehe Seite 4) in seinem Text zu übersehen!

Das oben zitierte Papier wird in einer Reihe von Web-Dokumenten zitiert

Der zitierte Anhang stammt aus diesem Buch – Voltage Regulators for Next Generation Microprocessors – copyright Springer, 2011.

Ein MOSFET ist eigentlich ein Gerät mit 4 Anschlüssen: Gate, Source, Drain und Body. Wenn Sie einen diskreten MOSFET in einem 3-Pin-Gehäuse kaufen, wurde der Körper intern mit der Quelle verbunden. Diese Bauelemente sind für die Verwendung vorgesehen, bei denen der Source-Anschluss immer an eine niedrigere/höhere Spannung als der Drain eines NMOS/PMOS-Transistors angeschlossen ist. Darüber hinaus gibt es inhärent einen PN-Übergang vom Körper zu Source und Drain. Bei einem Gerät mit 3 Anschlüssen ist die Quelle mit dem Körper kurzgeschlossen, sodass die Verbindung keine Rolle spielt. Wenn wir jedoch die Drain- Spannung jemals deutlich niedriger/höher (NMOS/PMOS) als die Source-Body werden lassen, laufen wir Gefahr, die parasitäre Body-to-Drain-Diode in Durchlassrichtung vorzuspannen.

Was passiert also bei Spannungen, die zu niedrig sind, um diese Diode in Vorwärtsrichtung vorzuspannen? In dieser Situation müssen wir uns überlegen, was wir wirklich mit "Quelle" und "Senke" meinen. Bei einem MOSFET mit 4 Anschlüssen gibt es möglicherweise keinen physikalischen Unterschied zwischen Source und Drain. Welcher davon auch immer die niedrigere Spannung hat (für einen NMOS), ist zu diesem Zeitpunkt die Source, während der Anschluss die höhere Spannung hat Spannung wird zum Drain. Was Sie beobachtet haben, ist das, wenn das herkömmliche Gefühl von$V_{DS}$umgekehrt wird, dann tauschen die Source- und Drain-Anschlüsse die Positionen und der Transistor kann in der "umgekehrten" Richtung arbeiten.

Dies geschieht konstruktionsbedingt in analogen Multiplexern, die MOSFETs verwenden. Viele Jahre lang waren die Schwellenspannungen herkömmlicher MOSFETs mit drei Anschlüssen hoch genug, dass Sie normalerweise keine signifikante Leitung in der "Rückwärts" -Richtung sahen, bevor die parasitäre Body-Diode zu leiten begann. Jetzt, da wir MOSFETs mit drei Anschlüssen mit niedrigen Schwellenspannungen haben, ist es möglich, eine normale MOSFET-Leitung für niedrige Werte der Drain-Source-Spannung zu sehen, die normalerweise als "Sperrspannung" betrachtet werden würde.

Hinzugefügt:

Dies stellt sich als eine viel bessere und nützlichere Frage heraus, als es zunächst den Anschein hat. So dass ich eine zweite Antwort hinzufüge, die sich auf die Besonderheiten konzentriert.

Während die folgende Antwort im Wesentlichen richtig und nützlich ist, hebt meine neue Antwort die bekannten Unterschiede in den Ids des 1. und 3. Quadranten mit Vgs unter Vgs(th) in MOSFETS hervor. Einige der "es kann sein" in meiner ursprünglichen Antwort spiegeln sich in meiner neuen Antwort wider.

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Das "Problem" ist vielfältig. Einige dieser Punkte scheinen "Hingucker" (trivial und/oder übertrieben) zu sein, und in gewissem Maße sind sie es auch - aber Ihre Frage, obwohl sie gut ist, fällt auch in dieselbe Kategorie, und wir müssen uns alle ansehen Kleinigkeiten', um mögliche Ursachen zu sehen. Letztendlich versuchen Sie, sehr kleine Präzisionsdaten aus einem Gerät am äußersten Ende seines Betriebsbereichs zu extrahieren, wo entweder keine Genauigkeit erwartet wird und/oder sehr kleine Effekte signifikant werden.

• Ihre Ergebnisse werden simuliert.
  Was passiert mit einem realen physischen Gerät?
  Wie gut ist die Simulation?
  Woher weißt du das?

• Die tabellarischen und graphischen Werte des Datenblatts sind typisch. Auch ein typisches Minimum ist immer noch typisch, sofern nicht anders angegeben. Tabellenwerte für Min/Max werden in der Regel als harte Grenzen angenommen, solange die entsprechenden Bedingungen ebenfalls erfüllt sind . Grafiken sind fast immer „typisch“.

• Es ist üblich, sich die min / typ / max-Werte des Datenblatts für Vgsth bei einer bestimmten ID anzusehen und sie falsch auf das anzuwenden, was wir normalerweise in der beobachteten Schaltung sehen. Und die zugehörigen Datenblattkurven (hier Abb. 1 und 2 auf Seite 3 des Datenblatts) sind im Wesentlichen nutzlos, wenn man auf Betriebsbereiche mit so niedrigem Strom und niedriger Spannung blickt. Die Tendenz besteht darin, zu VERSUCHEN, sie anzuwenden und mit „Null“ zu kommen, wenn dies nicht die richtige Antwort ist.
  Das Diagramm in Abb. 2 schlägt Ids ~~ 0,000 für Vgs <= etwa 1,4 V vor - aber wo würden Sie Ids = 100 mA auf der Y-Achse darstellen? :-).

  • Im Datenblatt auf Seite 2 ist Vgs(th) mit 0,65 1,05 1,45 V min / typ / max angegeben.
    Dies ist NICHT "... Vgs ist weit entfernt von Vth ...", wie in einem Kommentar vermerkt. ABER beim Betrachten des Datenblattwertes muss eine zusätzliche Spezifikation beachtet werden. Die angegebene V_gs(th) gilt für Vds = Vgs, Id = 250 uA. Hier ist für den in Vorwärtsrichtung geschalteten MOSFET Vds etwa 20-mal höher als Vgs (5 V und etwa 0,5 V) und für den in Rückwärtsrichtung geschalteten MOSFET ist Vds/Vgs hoch für sehr niedrige Vgs (Vds ~ = 0,58 V aufgrund der Diode für 0 < Vgs < 0,5 V) und immer noch etwa 50 % höher (0,58 V), da der MOSFET sichtbar als Vgs - 0,4 V zu leiten beginnt.

• Die Simulationswerte können für typische Ströme optimiert werden, die beispielsweise 0,1 - 5 A und vielleicht 1 - 50 A betragen (siehe Datenblattdiagramme), während wir es hier mit etwa 50 mA und Deltas von etwa 500 uA zu tun haben.

• Der reale Teil kann im Laufe der Zeit besser sein als das Datenblatt, da dies ein Datenblatt von 2011 ist. Sie haben MÖGLICHERWEISE den Simulator angepasst und nicht das 8 Jahre alte Datenblatt. Was böse wäre. Aber passiert.
  Oder die Simulationswerte entsprechen möglicherweise nicht genau dem Datenblatt und/oder dem realen Produkt, und auf dieser Ebene wird der Aufwand, der erforderlich ist, um das Modell zu verbessern, möglicherweise als wichtig genug erachtet.

• Die Vgs / Vds-Diagramme des Datenblattes sind nur für den Betrieb im 1. Quadranten angegeben. Wie Sie wissen, muss Vgs für einen N-Kanal-MOSFET (wie diesen) für die MOSFET-Verbesserung immer positiv sein, aber Vds kann jedes Vorzeichen haben. Es besteht jedoch keine Gewissheit, dass das Gerät elektrisch absolut symmetrisch ist, weder für die umgekehrte Vds-Polarität noch für die Vgs-Polarität in Bezug auf Vds. Wenn die Unterschiede groß und/oder wichtig wären, würde der Hersteller das hoffentlich sagen - aber selbst das ist keine Gewissheit. Da Vds mit umgekehrter Polarität aufgrund der Bodydiode auf den Bereich von 0 bis irgendwo unter 1 V beschränkt ist, ist der umgekehrte Vds-Quadrant normalerweise von begrenztem Interesse. Aber nicht in Sonderfällen wie diesem.

Die folgende Grafik (aus einer Vergrößerung von Ihnen) zeigt meine interpretierten / interpolierten Werte für eine Reihe von Schlüsselpunkten. Ich habe Ströme an verschiedenen Punkten und die relativen Auswirkungen von Körperdiode und Kanalwiderstand berechnet, wenn der Kanal beginnt, sichtbar zu leiten. Ich habe sie nicht hinzugefügt, da dies bereits länger gedauert hat, als ich gehofft hatte. Das Obige mag genug zum Nachdenken anregen. Wenn irgendwelche Klänge es wert sind, weiterverfolgt zu werden, sind Fragen willkommen.

Entschuldigung, obwohl dies eine Frage von vor drei Jahren ist, bin ich erst kürzlich darauf gestoßen und habe eine vernünftigere Antwort gefunden.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass für den MOSFET auf der linken Seite

• Die Quellenspannung ist positiv
• die Drain-Spannung ist Masse
• Der Körperanschluss ist mit der Quelle verbunden

Beachten Sie, dass sich dies auf physische oder nominelle Source und Drain bezieht. Tatsächlich sind Source und Drain aufgrund der Struktur des MOSFET gleich, sodass der Strom aus beiden Richtungen fließen kann.

Aus Schaltungssicht ist die "Source" eines N-Kanal-MOSFET der Anschluss an der NIEDRIGEREN Spannung und der "Drain" eines N-Kanal-MOSFET der Anschluss an der HÖHEREN Spannung.

Sie können den linken MOSFET also als folgenden Fall betrachten.

• Die Drain-Spannung ist positiv
• Die Quellenspannung ist Masse
• Der Körperanschluss ist mit dem Abfluss verbunden

Da die Source- und Body-Spannungen inkonsistent sind, verursacht dies in diesem Fall den Body-Effekt .

Nach der Körperwirkungsformel ist VSB negativ, sodass Vth kleiner wird.

Darüber hinaus wird durch diese Verbindung auch die Body-Diode vorhanden sein, wodurch der Strom etwas größer wird.

Wussten Sie, dass jeder MOSFET eine eingebaute Body-Diode zwischen Drain und Source hat?

In Ihrem Fall ist die Anode einer Body-Diode mit dem Source-Anschluss und die Kathode mit dem Drain-Anschluss verbunden.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Und deshalb erhalten Sie 0,6 V, wenn der MOSFET rückwärts angeschlossen ist. Denn diese Diode ist jetzt in Vorwärtsrichtung und leitet Strom.

Ich verwende dieses http://www.aosmd.com/products/mosfets/n-channel/AO3400

Und erhalten Sie diese Ergebnisse: