Warum wird ein MOSFET von Vgs und nicht von Vgd angesteuert?

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Schauen Sie sich dieses Diagramm eines MOSFET-Typs genau an:

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Wir können sehen, dass das Gerät praktisch symmetrisch ist. Was bringt das Gate dazu, sich auf die Source und nicht auf den Drain zu beziehen?

Auch warum würde das Gateoxid bei 20 V Vgs und nicht bei 20 V Vgd zusammenbrechen?

(Keine Hausaufgabe. Nur Neugier.)

transistors mosfet

— Thomas O.
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Ich weiß, dass die meisten JFETs tatsächlich so ziemlich symmetrisch sind, wie Sie es beschreiben, und es spielt keine Rolle, welches Ende als Source und welches als Drain verwendet wird. Ich bin jedoch nicht sicher, ob dies auch für laterale MOSFETs gilt. Vertikale MOSFETs enthalten eine parasitäre Body-Diode und funktionieren nicht richtig, wenn sie "rückwärts" angeschlossen sind.

— Bitrex

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@Bitrex Ein Power-MOS funktioniert normalerweise nicht rückwärts. Wenn Sie jedoch die Diode kurzschließen können, wenn der Drain-Source-Kanal einen ausreichend niedrigen Widerstand aufweist und der Kanal Strom leitet, nicht die Diode. Dies wird in aktiven Brückengleichrichtern und in anderen Geräten verwendet, die eine gesteuerte Gleichrichtung erfordern. Sie sind jedoch auf ca. 0,5 V rückwärts begrenzt, bevor etwas schief geht;).

— Thomas O

Wenn Sie einen MOSFET als Teil eines Synchrongleichrichters verwenden, können Sie eine Schottky-Diode parallel zur Body-Diode des MOSFET schalten, um den MOSFET zu schützen. Die Body-Diode ist normalerweise ziemlich schwach.

— Mike DeSimone

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Da sich die von Ihnen veröffentlichte Abbildung 1 auf ein 4-Terminal- Gerät bezieht , nicht auf ein 3-Terminal - Gerät. Wenn Sie sich das Schaltplansymbol in Abbildung 1 ansehen, werden Sie feststellen, dass der Body-Anschluss ein separater Anschluss ist, der nicht mit dem Source-Anschluss verbunden ist. Zum Verkauf stehende MOSFETs sind fast immer Geräte mit drei Anschlüssen, bei denen Quelle und Gehäuse miteinander verbunden sind.

Wenn der Speicher mir Recht gibt (nicht 100% sicher - scheint durch dieses Handout bestätigt zu werden ), gibt es bei einem Gerät mit 4 Anschlüssen keinen Unterschied zwischen Source und Drain, und es ist die Gate-Body-Spannung, die den Ein-Zustand bestimmt des Kanals - mit der Einschränkung, dass der Körper die negativste Spannung im Stromkreis für ein N-Kanal-Gerät oder die positivste Spannung im Stromkreis für ein P-Kanal-Gerät sein soll.

( edit: fand eine Referenz für die Physik von MOSFET-Bauelementen . Das Source-Drain-Verhalten ist immer noch symmetrisch, hängt jedoch sowohl von der Gate-Source- als auch von der Gate-Drain-Spannung ab. Wenn beide im N-Kanal negativ sind, ist der Kanal nicht leitend. Wenn einer ist größer als die Schwellenspannung, dann erhalten Sie ein Sättigungsverhalten (Konstantstrom). Wenn beide größer als die Schwellenspannung sind, erhalten Sie ein Triodenverhalten (Konstantwiderstand). Der Körper / das Volumen / das Substrat muss immer noch am negativsten sein Spannung im Stromkreis, um das umgekehrte Verhalten in einem Stromkreis zu erhalten, müssten Körper + Drain zusammengebunden werden.

In einem P-Kanal-Gerät ist diese Polarität umgekehrt.)

Sehen Sie sich die herkömmlichen Schaltplansymbole für N- und P-Kanal-MOSFETs ( aus Wikipedia ) genau an :

und die Wikipedia-Abbildung zur Funktionsweise von MOSFET , und Sie werden die Body-Source-Verbindung sehen.

— Jason S
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Sogar in 4 Klemmen bestimmt die Gate-Source-Spannung den Zustand des Kanals. Also, was Sie über Gate-Body geschrieben haben, ist nicht wahr. Die Spannung zwischen Quelle und Körper moduliert die Schwellenspannung des Geräts. Zum Beispiel für NMOS, wenn Vs über Vb liegt, benötigt man größere Vgs, um das Gerät einzuschalten (der Körpereffekt).

— mazurnification

@mazurnification: Wo ist deine Referenz dafür? und warum ist es eher Gate-Source als Gate-Drain oder Gate-Body? Ich habe versucht, Referenzmaterial so oder so zu finden und konnte es nicht.

— Jason S

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Wir haben gerade diese Referenz gefunden: doe.carleton.ca/~tjs/21-mosfetop.pdf, die Kanalfelder basierend auf Vgb und nicht Vgs angibt (bis Vsb = 0, an welchem Punkt Vgs = Vgb). Daher werde ich meine Antwort nicht ändern, bis ich Beweise dafür sehe, dass das Quellterminal etwas Besonderes ist. Es würde mich nicht wundern, wenn der Körpereffekt des Modulierens der Schwellenspannung nur dann zutrifft, wenn die Source-Body-Verbindung eine feste Spannung mit niedriger Impedanz ist und den Gleichungen für Vgb entspricht.

— Jason S

OK, habe etwas gefunden, das sich auf Gate-Source- und Gate-Drain-Spannungen bezieht.

— Jason S

Der Schlüssel ist Vgb. Der springende Punkt eines MOSFET ist, dass das zwischen Gate und Substrat erzeugte elektrische Feld die Verteilung der Ladungsträger aus dem Gleichgewicht bringt und die Impedanz des Kanals zwischen Source und Drain ändert. Da jedoch Quelle und Substrat im Allgemeinen miteinander verbunden sind (siehe schematisches Symbol), ist Vgs dasselbe wie Vgb. Wenn Sie nicht möchten, dass der Kanal mit dem Substrat identisch ist, müssen Sie eine Wannenstruktur erstellen, die wie eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode von Kanal zu Substrat aussieht. Denken Sie daran, dass Sie Strukturen in ICs erstellen können, die in diskreten Teilen nicht möglich sind.

— Mike DeSimone

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Der symmetrische Querschnitt, wie er normalerweise gezeichnet wird, stimmt nicht ganz mit der tatsächlichen Struktur überein, die stark asymmetrisch ist. Eigentlich sieht es so aus:

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$I_D$ $V_{GD}$

— stevenvh
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Sind Sie sicher, dass dies nicht nur ein vertikaler MOS ist? Ist ein lateraler MOS anders?

— Thomas O

@Thomas - ein V-MOSFET sieht anders aus: allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/10.html . Wie auch immer, sie sind sehr asymmetisch, und selbst wenn das Bild anders aussieht, bleibt die Erklärung bestehen.

— stevenvh

Diese Struktur wird häufig für diskrete MOSFETs verwendet. Die symmetrische Struktur wird normalerweise für MOSFETs auf integrierten Schaltkreisen verwendet, da nicht alle einen Drain gemeinsam nutzen können.

— Mike DeSimone

yep mosfet von der integrierten Schaltung wird höchstwahrscheinlich voll symmetrisch sein

— mazurnification

@MikeDeSimone, @mazurnification - Bei ICs wird es anders aussehen, aber ich bin mir immer noch nicht sicher, ob diese symmetrisch sein werden.

— stevenvh

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Der Betrieb eines bestimmten MOSFET wird durch die Spannungen an den jeweiligen Elektroden (Drain, Source, Gate, Body) bestimmt.

Gemäß der Lehrbuchkonvention in NMOS werden zwei Elektroden "mit dem Kanal verbunden" (zwischen denen unter "normalen" Umständen Strom fließt) als Source-Elektrode und als Drain-Elektrode als Drain-Elektrode bezeichnet. Das Gegenteil gilt für PMOS (Source mit höherem Potential, Drain mit niedrigerem Potential).

Unter Verwendung dieser Konvention werden dann alle Gleichungen oder Texte präsentiert, die den Betrieb des Geräts beschreiben. Dies impliziert, dass immer, wenn der Autor des Textes über NMOS etwas über Transistorquelle (n) sagt, er über eine Elektrode nachdenkt, die mit einem niedrigeren Potential verbunden ist.

Nun werden sich die Gerätehersteller höchstwahrscheinlich dafür entscheiden, Source- / Drain-Pins in ihren Geräten basierend auf der beabsichtigten Konfiguration, in der der MOSFET in die endgültige Schaltung eingesetzt wird, zu nennen. Zum Beispiel wird in NMOS ein Pin, der normalerweise mit einem niedrigeren Potential verbunden ist, Source genannt.

Es bleiben also zwei Fälle:

A) Das MOS-Bauelement ist symmetrisch - dies ist ein Fall für die große Mehrheit der Technologien, in denen VLSI-ICs hergestellt werden.

B) MOS-Gerät ist asymmetrisch (vmos-Beispiel) - dies ist bei einigen (den meisten?) Diskreten Leistungsgeräten der Fall

Im Fall von A) spielt es keine Rolle, welche Seite des Transistors mit einem höheren / niedrigeren Potential verbunden ist. Das Gerät führt in beiden Fällen genau die gleiche Leistung aus (und es ist nur üblich, welche Elektrode als Quelle und welche als Drain zu bezeichnen ist).

Im Fall von B) spielt es (offensichtlich) eine Rolle, welche Seite des Geräts mit welchem Potential verbunden ist, da das Gerät für die Arbeit in einer gegebenen Konfiguration optimiert ist. Dies bedeutet, dass "Gleichungen", die den Betrieb des Geräts beschreiben, sich unterscheiden, wenn der als "Quelle" bezeichnete Pin an eine niedrigere Spannung angeschlossen ist als in dem Fall, in dem er an eine höhere angeschlossen ist.

In Ihrem Beispiel wurde das Gerät höchstwahrscheinlich asymmetrisch konstruiert, um bestimmte Parameter zu optimieren. Die "Gate-Source" -Bremsspannung wurde als Ausgleich herabgesetzt, um eine bessere Kontrolle über den Kanalstrom zu erhalten, wenn eine Steuerspannung zwischen den als Gate und Source bezeichneten Pins angelegt wird.

Edit: Da es einige Kommentare bezüglich der Symmetrie des MOS gibt, wird hier ein Zitat von Behzad Razavi "Design der analogen integrierten CMOS-Kreise" S.12 zitiert

Zitat

— mazurnification
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Ich bin mir nicht sicher, wie sich die Simulationstechnologien im Laufe der Jahre verändert haben, aber nach meinem Verständnis wollten viele Simulatoren seit etwa zehn Jahren, dass die Source- und Drain-Knoten beschriftet werden, um zu identifizieren, welcher Knoten den anderen beeinflusst. Im Wesentlichen bedeutete die Bezeichnung "Source" "Ursache" und "Drain" "Wirkung", und der Schaltkreis sollte so angeordnet sein, dass, wenn die Drain / Wirkung eines NFET einen Pfad zur Erde hat, die Source / Ursache dies auch tun sollte einen Pfad zu VSS haben oder "egal" sein (ebenfalls für PFETs und VDDs). Wenn eine Rennstrecke ausgelegt werden kann, um dieses Kriterium zu erfüllen, dann ...

— Superkatze

... der Simulator kann für jede Taktphase alle Knoten in einer Reihenfolge anordnen, so dass jeder Knoten nur einmal ausgewertet werden muss und kein Knoten von einem "nachgeordneten" Knoten betroffen ist (bis zur nächsten Taktphase, die hat) die Knoten in einer anderen Anordnung). Bestimmte Schaltungen, die Pass-Gates verwenden, würden das Umkehren von Source- und Drain-Bezeichnungen erfordern, um den Simulator zu unterstützen, aber im Allgemeinen würden die Kausalitätsbeschränkungen es praktisch machen, Schaltungen schneller zu simulieren, als dies sonst möglich wäre.

— Supercat

@supercat - Es gibt nur wenige "Ebenen" von Simulatoren. Angefangen von physischen (z. B. CAD), bei denen elektrische und magnetische Felder simuliert werden, über elektrische (alle SPICE-ähnlichen) bis hin zu funktionalen (Verilog, VHDL, VerilogA usw.). Alle waren bereits vor 10 Jahren sehr weit fortgeschritten. Der von Ihnen erwähnte sieht aus wie ein funktionaler "ereignisgesteuerter Simulator" (wie der von Verilog), aber ich habe keine solche Technik gesehen, die auf die tatsächlichen Transistoren angewendet wurde (nun, vielleicht im sogenannten "schnellen Gewürz"). Der Punkt ist, dass elektrische (Gewürz) Symmetrie des mosfet leicht behandeln können ...

— mazurnification

Sicher ist es möglich, Schaltkreise zu simulieren, bei denen Ursachen und Wirkungen keine gerichteten azyklischen Graphen bilden, und der Anstieg der Rechenleistung während der letzten zehn Jahre hat eine vollständige Simulation für größere Konstruktionen als vor zehn Jahren möglich praktisch gemacht. Es würde mich jedoch nicht wundern, wenn Schaltungen, die Ursache-Wirkung zugeordnet werden können, einer schnelleren Simulation zugänglich wären als solche, die dies nicht können, oder wenn einem Simulator mitgeteilt würde, dass ein bestimmter Transistor nur zum Durchlassen von Strom herangezogen werden sollte Eine Richtung könnte helfen, Fehler zu fangen ...

— Supercat

... wo es in die andere Richtung fließt. Natürlich würden solche Probleme bei statischer Logik normalerweise einen VDD-VSS-Kurzschluss verursachen, aber bei dynamischer Logik könnten sie Probleme ohne einen VDD-VSS-Kurzschluss verursachen. Ich bin mir nicht sicher, wie viel dynamische Logik außerhalb von DRAMs noch verwendet wird. Mein wichtigster Punkt war jedoch, dass die Kennzeichnung von Source und Drain als Gewohnheit zumindest einigen Simulatoren zugute gekommen wäre.

— Supercat

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Ein MOSFET benötigt zwei Dinge, damit Strom fließt: Ladungsträger im Kanal und einen Spannungsgradienten zwischen Source und Drain. Wir müssen uns also einen dreidimensionalen Verhaltensraum ansehen. Die Drain-Source-Charakteristik sieht ungefähr so aus: Bildbeschreibung hier eingeben

Nehmen wir an, wir haben einen nmos-Transistor und Bulk und Source liegen bei 0V. Stellen wir auch die Drainspannung hoch ein, sagen wir 5V. Wenn wir die Gate-Spannung ändern, erhalten wir etwas, das so aussieht:

Masse

Damit sich im Kanal erhebliche Mengen an Ladungsträgern befinden, benötigen wir einen Verarmungsbereich, der Source und Drain verbindet, und wir müssen auch eine Reihe von Ladungsträgern aus der Source herausziehen. Wenn Source und Gate die gleiche Spannung haben, bedeutet dies, dass der größte Teil des Kanals im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Source hat und die Ladungsträger den größten Teil des Weges über den Transistor diffundieren müssen, bevor sie in den Drain "fallen" können. Wenn die Gate-Source-Spannung hoch genug ist, ist der Spannungsgradient in der Nähe der Source signifikanter, und die Ladungsträger werden in den Kanal gezogen, wodurch eine höhere Population ermöglicht wird.

— Aphaea
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Dies erklärt die MOSFET-Betriebstheorie, sagt jedoch nichts über mögliche Symmetrie aus und beantwortet nicht die Frage von Thomas, ob Source und Drain austauschbar sind.

— Stevenvh

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2 Cent wert: Im Vergleich zu Bipolaren kann man C und E tauschen und es funktioniert immer noch, aber mit niedrigerem hFE und unterschiedlichen Spannungswerten: VBE darf in der Regel maximal 5 bis 7 V betragen; VCB wie VCE oder höher (siehe z. B. BC556-Datenblatt von Fairchild, in dem VCBO angegeben ist, das sogar höher als VCEO ist). Physikalisch gibt es einen (großen) Unterschied zwischen C und E (Größe, Form und / oder Dotierung), der die Asymmetrie in den Figuren erklärt. Und das habe ich auch im Labor gesehen. Es kommt hin und wieder vor, dass jemand versehentlich C und E vertauscht und sich wundert, dass es immer noch funktioniert, aber nicht sehr gut.

Wäre interessant, wenn jemand ein Diagramm von ID (und RDSon) gegen VGD für einen (leistungsfähigen N-Kanal-MOSFET erhalten würde. Habe derzeit keinen Laborzugriff.

— David S
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