MOSFET: ¿Por qué el drenaje y la fuente son diferentes?

¿Por qué el drenaje del terminal fuente del MOSFET funciona de manera diferente mientras su estructura física es similar / simétrica?

Este es un MOSFET:
MOSFET

Puede ver que el drenaje y la fuente son similares.
Entonces, ¿por qué necesito conectar uno de ellos a VCC y el otro a GND?

mosfet physics

— Insecto
fuente

Mito: los fabricantes conspiran para colocar diodos internos en componentes discretos para que solo los diseñadores de circuitos integrados puedan hacer cosas buenas con MOSFET de 4 terminales.

Verdad: los MOSFET de 4 terminales no son muy útiles.

Cualquier unión PN es un diodo (entre otras formas de hacer diodos). Un MOSFET tiene dos de ellos, aquí mismo:

MOSFET con diodos

Esa gran parte de silicio dopado con P es el cuerpo o el sustrato . Teniendo en cuenta estos diodos, se puede ver que es bastante importante que el cuerpo esté siempre a un voltaje más bajo que la fuente o el drenaje. De lo contrario, sesgas hacia adelante los diodos, y eso probablemente no sea lo que querías.

¡Pero espera, se pone peor! Un BJT es un emparedado de tres capas de materiales NPN, ¿verdad? Un MOSFET también contiene un BJT:

MOSFET con BJT

Si la corriente de drenaje es alta, entonces el voltaje a través del canal entre la fuente y el drenaje también puede ser alto, porque no es cero. Si es lo suficientemente alto como para polarizar hacia adelante el diodo fuente del cuerpo, ya no tiene un MOSFET: tiene un BJT. Eso tampoco es lo que querías. $R_{DS(on)}$

En los dispositivos CMOS, empeora aún más. En CMOS, tienes estructuras PNPN, que hacen un tiristor parásito. Esto es lo que causa el enganche .

Solución: acortar el cuerpo a la fuente. Esto corta el emisor base del parásito BJT, manteniéndolo firmemente alejado. Idealmente, no se hace esto a través de cables externos, porque entonces el "corto" también tendría una alta inductancia y resistencia parasitarias, lo que hace que la "retención" del BJT parásito no sea tan fuerte. En cambio, los cortas justo en el dado.

Es por eso que los MOSFET no son simétricos. Puede ser que algunos diseños sean simétricos, pero para hacer un MOSFET que se comporte de manera confiable como un MOSFET, debe acortar una de esas N regiones al cuerpo. Para cualquiera que haga eso, ahora es la fuente, y el diodo que no cortocircuitó es el "diodo del cuerpo".

Esto no es nada específico para los transistores discretos, realmente. Si tiene un MOSFET de 4 terminales, debe asegurarse de que el cuerpo esté siempre al voltaje más bajo (o más alto, para dispositivos de canal P). En los circuitos integrados, el cuerpo es el sustrato de todo el circuito integrado, y generalmente está conectado a tierra. Si el cuerpo está a un voltaje más bajo que la fuente, entonces debe considerar el efecto del cuerpo . Si observa un circuito CMOS donde hay una fuente no conectada a tierra (como la puerta NAND a continuación), realmente no importa, porque si B es alto, entonces el transistor más bajo está encendido, y el arriba, en realidad tiene su fuente conectada a tierra. O, B es bajo, y la salida es alta, y no hay corriente en los dos transistores inferiores.

Esquema CMOS NAND

— Phil Frost
fuente

En un NFET es claramente necesario que la fuente y los potenciales de drenaje no sean más bajos que el potencial del cuerpo, pero eso no implica que la fuente y el drenaje tengan que tener una polaridad fija entre sí. No es raro tener una situación en la que uno quiera conectar o desconectar dos puntos, los cuales siempre serán más altos que algún punto "de tierra", pero cualquiera de los dos podría ser más alto que el otro. Se podrían usar dos MOSFET para eso, pero eso parecería un desperdicio si un "MOSFET de cuatro terminales" pudiera hacer el trabajo.

— supercat

@supercat seguro, pero luego debe tener en cuenta las capacitancias e inductancias parásitas y analizar su circuito para garantizar que la fuente y el drenaje permanezcan a potenciales más altos que el cuerpo incluso en presencia de dv / dt o di / dt altos. Dado que estos parásitos dependen en gran medida del diseño y la variación de fabricación, en muchos casos eso parece más difícil que la alternativa de diseñar un controlador de puerta flotante y usar un MOSFET de 3 terminales ordinario.

— Phil Frost

Hay muchos circuitos donde los MOSFET de tres terminales son simplemente geniales. Sin embargo, hay momentos en los que es necesario cambiar la corriente en dos direcciones. Uno podría usar MOSFET consecutivos, pero eso parece un poco inútil. Puede ser que una conexión fuente / sustrato sea tan ventajosa para procesar la geometría que un par continuo con un RDSon dado y la capacidad de manejo de corriente se puede hacer más barato que un solo MOSFET de base aislada, en cuyo caso no En realidad, es un desperdicio, pero no sé si ese es el caso.

— supercat

Hmm ¿Por qué el parásito BJT es una NPN en lugar de una PNP, y por qué apunta de drenaje a fuente en lugar de fuente a drenaje? En otras palabras, ¿de dónde viene la asimetría?

— Jason S

@JasonS Es una NPN porque así es como se dopa el silicio. Mire la imagen y puede leer: "n", "p", "n". No hay asimetría: elegí arbitrariamente dibujar el símbolo de una manera, pero no importa porque un BJT tiene alguna ganancia incluso si lo volteas, especialmente cuando el BJT del que estás hablando es el parásito en un MOSFET y maximizar la ganancia no era un objetivo de diseño.

— Phil Frost

Además de la respuesta de Phil, ocasionalmente verá una representación de un MOSFET que brinda más detalles de la asimetría

ingrese la descripción de la imagen aquí

^{De electrónica-tutoriales.wa}

El enlace asimétrico del sustrato (cuerpo) a las fuentes se muestra como una línea de puntos.

— RedGrittyBrick
fuente

La geometría de los MOSFET discretos es muy diferente de la de los integrados; mientras que un NFET integrado tendrá un sustrato P, muchos MOSFET discretos tienen un sustrato de tipo N que está conectado al drenaje en un lado del transistor; La base (que se comporta como el sustrato de un MOSFET integrado) y la fuente están conectadas al otro lado del transistor.

— supercat

Desde el punto de vista del dispositivo físico, son lo mismo. Sin embargo, cuando se producen FET discretos, hay un diodo interno formado por el sustrato que tiene su cátodo en el drenaje y el ánodo en la fuente, por lo que debe usar el terminal de drenaje marcado como el drenaje y el terminal de fuente marcado como la fuente.

— Brett Prudhom
fuente