MOSFET: Warum sind Drain und Source unterschiedlich?

Warum funktioniert der Drain-Source-Anschluss des MOSFET unterschiedlich, obwohl sein physikalischer Aufbau ähnlich / symmetrisch ist?

Dies ist ein MOSFET:
MOSFET

Sie können sehen, dass Drain und Source ähnlich sind.
Warum muss ich einen davon an VCC und den anderen an GND anschließen?

mosfet physics

— Dor
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Mythos: Hersteller verschwören sich, interne Dioden in diskreten Bauteilen unterzubringen, damit nur IC-Designer mit 4-poligen MOSFETs ordentliche Arbeit leisten können.

Wahrheit: 4-polige MOSFETs sind nicht sehr nützlich.

Jeder PN-Übergang ist eine Diode (unter anderem zur Herstellung von Dioden). Ein MOSFET hat zwei davon, genau hier:

MOSFET mit Dioden

Dieses große Stück P-dotierten Siliziums ist der Körper oder das Substrat . Angesichts dieser Dioden ist es ziemlich wichtig, dass der Körper immer eine niedrigere Spannung hat als die Source oder die Drain. Andernfalls spannen Sie die Dioden in Vorwärtsrichtung vor, und das ist wahrscheinlich nicht das, was Sie wollten.

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

MOSFET mit BJT

$R_{DS(on)}$

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

Lösung: Schließen Sie den Körper zur Quelle kurz. Dies schließt den Basis-Emitter 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 aufweist, 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. Um jedoch einen MOSFET zu erhalten, der sich zuverlässig wie ein MOSFET verhält, muss einer dieser N Bereiche mit dem Körper kurzgeschlossen werden. Für wen auch immer Sie das tun, es ist jetzt die Quelle, und die Diode, die Sie nicht kurzgeschlossen haben, ist die "Body-Diode".

Das ist eigentlich nichts Besonderes für diskrete Transistoren. Wenn Sie einen 4-poligen MOSFET haben, müssen Sie sicherstellen, dass der Körper immer auf der niedrigsten Spannung (oder bei P-Kanal-Geräten auf der höchsten) liegt. In ICs ist der Körper das Substrat für den gesamten IC und ist normalerweise mit Masse verbunden. Wenn der Körper eine niedrigere Spannung als die Quelle hat, müssen Sie die Auswirkungen auf den Körper berücksichtigen . Wenn Sie sich eine CMOS-Schaltung ansehen, bei der eine Source nicht mit Masse verbunden ist (wie das NAND-Gatter unten), spielt das keine Rolle, denn wenn B hoch ist, ist der unterste Transistor eingeschaltet und der eine darüber ist die Quelle tatsächlich mit Masse verbunden. Oder B ist niedrig und der Ausgang ist hoch und in den unteren beiden Transistoren ist kein Strom.

CMOS NAND Schaltplan

— Phil Frost
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In einem NFET ist es eindeutig erforderlich, dass das Source- und Drain-Potential nicht niedriger als das Körperpotential ist, was jedoch nicht impliziert, dass Source und Drain eine feste Polarität relativ zueinander haben sollten. Es kommt nicht selten vor, dass einer zwei Punkte verbinden oder trennen möchte, die beide immer höher als ein "Masse" -Punkt sind, von denen jedoch einer höher als der andere sein kann. Man könnte zwei MOSFETs dafür verwenden, aber das wäre etwas verschwenderisch, wenn ein "MOSFET mit vier Anschlüssen" die Arbeit erledigen könnte.

— Superkatze

@supercat sicher, aber dann müssen Sie parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten berücksichtigen und Ihren Schaltkreis analysieren, um sicherzustellen, dass Source und Drain auch bei hohem du / dt oder di / dt auf höheren Potentialen als der Körper bleiben. Angesichts der Tatsache, dass diese parasitären Faktoren in hohem Maße von Layout- und Herstellungsschwankungen 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.

— Phil Frost

Es gibt viele Schaltkreise, in denen MOSFETs mit drei Anschlüssen einfach großartig sind. Es gibt jedoch Zeiten, in denen es notwendig ist, den Strom in zwei Richtungen zu schalten. Man könnte Back-to-Back-MOSFETs verwenden, aber das scheint etwas verschwenderisch. Es kann sein, dass eine Source / Substrat-Verbindung so vorteilhaft ist, um die Geometrie zu verarbeiten, dass ein Back-to-Back-Paar mit einem gegebenen RDSon und einer gegebenen Stromhandhabungsfähigkeit billiger hergestellt werden kann als ein einzelner MOSFET mit isolierter Basis, in welchem Fall dies nicht der Fall wäre Eigentlich keine Verschwendung, aber ich weiß nicht, ob das der Fall ist.

— Supercat

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?

— Jason S

@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 das Symbol nur willkürlich in eine Richtung gezeichnet, aber es spielt keine Rolle, da ein BJT eine gewisse Verstärkung hat, auch wenn Sie es verkehrt herum drehen, insbesondere wenn es sich bei dem BJT, von dem Sie sprechen, um den parasitären handelt Ein MOSFET und die Maximierung der Verstärkung waren kein Entwurfsziel.

— Phil Frost

Zusätzlich zu Phils Antwort wird gelegentlich ein MOSFET abgebildet, der die Asymmetrie genauer beschreibt

Bildbeschreibung hier eingeben

^{Aus electronics-tutorials.wa}

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

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

— Supercat

Vom Standpunkt der physischen Geräte aus sind sie identisch. Wenn jedoch diskrete FETs hergestellt werden, besteht eine interne Diode aus dem Substrat, dessen Kathode am Drain und dessen Anode an der Source liegt. Daher müssen Sie den markierten Drain-Anschluss als Drain und den markierten Source-Anschluss als Source verwenden.

— Brett Prudhom
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