MOSFET: Mengapa saluran dan sumbernya berbeda?

48

Mengapa mengalirkan terminal sumber fungsi MOSFET berbeda sementara struktur fisiknya serupa / simetris?

Ini adalah MOSFET:
MOSFET

Anda dapat melihat bahwa saluran dan sumbernya serupa.
Jadi mengapa saya perlu menghubungkan salah satu dari mereka ke VCC dan yang lainnya ke GND?

mosfet physics Dor
sumber

Jawaban:

58

Mitos: memproduksi bersekongkol untuk menempatkan dioda internal dalam komponen diskrit sehingga hanya perancang IC yang dapat melakukan hal-hal yang rapi dengan MOSFET 4 terminal.

Kebenaran: MOSFET 4 terminal tidak terlalu berguna.

Setiap persimpangan PN adalah dioda (di antara cara-cara lain untuk membuat dioda). MOSFET memiliki dua di antaranya, di sini:

MOSFET dengan dioda

Potongan besar silikon P-doped adalah tubuh atau substrat . Mempertimbangkan dioda ini, orang dapat melihatnya sangat penting bahwa bodi selalu pada tegangan yang lebih rendah daripada sumber atau saluran pembuangan. Kalau tidak, Anda meneruskan bias dioda, dan itu mungkin bukan yang Anda inginkan.

Tapi tunggu, ini semakin buruk! A BJT adalah sandwich tiga lapis bahan NPN, kan? MOSFET juga mengandung BJT:

MOSFET dengan BJT

RDS(on)

Pada perangkat CMOS, itu menjadi lebih buruk. Dalam CMOS, Anda memiliki struktur PNPN, yang membuat thyristor parasit. Inilah yang menyebabkan latchup .

Solusi: singkatkan tubuh ke sumbernya. Ini memendekkan basis-emitor dari BJT parasit, memegangnya dengan kuat. Idealnya Anda tidak melakukan ini melalui sadapan eksternal, karena "pendek" juga akan memiliki induktansi dan resistensi parasit yang tinggi, membuat "menahan" parasit BJT tidak begitu kuat. Sebaliknya, Anda pendek mereka tepat di mati.

Inilah sebabnya mengapa MOSFET tidak simetris. Mungkin beberapa desain sebaliknya simetris, tetapi untuk membuat MOSFET yang berperilaku andal seperti MOSFET, Anda harus menyingkat salah satu dari daerah N ke tubuh. Untuk yang mana pun Anda melakukan itu, sekarang sumbernya, dan dioda yang tidak Anda hilangkan adalah "dioda tubuh".

Ini bukan sesuatu yang spesifik untuk transistor diskrit, sungguh. Jika Anda memiliki MOSFET 4-terminal, maka Anda perlu memastikan bahwa bodi selalu berada pada tegangan terendah (atau tertinggi, untuk perangkat saluran-P). Dalam IC, tubuh adalah substrat untuk seluruh IC, dan biasanya terhubung ke ground. Jika tubuh berada pada tegangan lebih rendah dari sumbernya, maka Anda harus mempertimbangkan efek tubuh . Jika Anda melihat pada sirkuit CMOS di mana ada sumber yang tidak terhubung ke ground (seperti gerbang NAND di bawah), itu tidak masalah, karena jika B tinggi, maka transistor yang paling rendah aktif, dan yang satu di atasnya sebenarnya sumbernya terhubung ke ground. Atau, B rendah, dan output tinggi, dan tidak ada arus di dua transistor yang lebih rendah.

Skema CMOS NAND

Phil Frost
sumber
1
Dalam NFET jelas diperlukan bahwa sumber dan potensi pengeringan tidak lebih rendah dari potensi tubuh, tetapi itu tidak menyiratkan bahwa sumber dan pembuangan harus memiliki polaritas yang tetap relatif satu sama lain. Hampir tidak jarang memiliki situasi di mana seseorang ingin menghubungkan atau memutuskan dua titik, yang keduanya akan selalu lebih tinggi dari beberapa titik "tanah", tetapi keduanya mungkin lebih tinggi dari yang lain. Seseorang dapat menggunakan dua MOSFET untuk itu, tetapi itu akan tampak agak sia-sia jika "empat terminal MOSFET" dapat melakukan pekerjaan itu.
supercat
@ supercat yakin, tetapi kemudian Anda harus memperhitungkan kapasitansi dan induktansi parasit dan menganalisis sirkuit Anda untuk memastikan bahwa sumber dan tiriskan tetap pada potensi yang lebih tinggi daripada tubuh bahkan di hadapan dv / dt atau di / dt tinggi. Mengingat bahwa parasitics ini sangat tergantung pada tata letak dan variasi manufaktur, dalam banyak kasus yang tampaknya lebih sulit daripada alternatif merancang driver gerbang mengambang dan menggunakan MOSFET 3-terminal biasa.
Phil Frost
Ada banyak sirkuit di mana MOSFET tiga terminal sangat bagus. Namun ada saat-saat di mana perlu untuk mengubah arus dalam dua arah. Seseorang dapat menggunakan MOSFET back-to-back, tetapi itu agak boros. Mungkin koneksi sumber / substrat sangat menguntungkan untuk memproses geometri sehingga pasangan back-to-back dengan RDSon dan kemampuan penanganan saat ini dapat dibuat lebih murah daripada MOSFET basis terisolasi tunggal, dalam hal ini tidak diperlukan. Sebenarnya akan sia-sia, tetapi saya tidak tahu apakah itu masalahnya.
supercat
Hmm. Mengapa BJT parasit adalah NPN dan bukan PNP, dan mengapa ia menunjuk dari saluran ke sumber dan bukan dari sumber ke saluran? Dengan kata lain, dari mana asimetri itu berasal?
Jason S
1
@ Alasan Ini adalah NPN karena begitulah silikon didoping. Lihatlah gambar dan Anda dapat membaca: "n", "p", "n". Tidak ada asimetri: Saya hanya secara sewenang-wenang memilih untuk menggambar simbol satu arah, tetapi tidak masalah karena BJT memiliki beberapa keuntungan bahkan jika Anda membalikkannya terbalik, terutama ketika BJT yang Anda bicarakan adalah parasit di MOSFET dan memaksimalkan keuntungan bukanlah tujuan desain.
Phil Frost
6

Lebih jauh dari jawaban Phil, kadang-kadang Anda akan melihat penggambaran MOSFET yang memberikan detail asimetri

masukkan deskripsi gambar di sini

Dari elektronik-tutorials.wa

Tautan asimetris dari substrat (badan) ke sumber ditampilkan sebagai garis putus-putus.

RedGrittyBrick
sumber
Geometri MOSFET diskrit sangat berbeda dari yang terintegrasi; sementara NFET terintegrasi akan memiliki substrat P, banyak MOSFET diskrit memiliki substrat tipe-N yang terhubung ke saluran pada satu sisi transistor; dasar (yang berperilaku seperti substrat MOSFET terintegrasi) dan sumber dihubungkan di sisi lain dari transistor.
supercat
2

Dari sudut pandang perangkat fisik, keduanya sama. Namun, ketika FET diskret diproduksi, ada dioda internal yang dibentuk oleh substrat yang memiliki katoda di saluran dan anoda di sumbernya, jadi Anda harus menggunakan terminal pembuangan yang ditandai sebagai saluran dan terminal sumber yang ditandai sebagai sumber.

Brett Prudhom
sumber