MOSFET: Tại sao cống và nguồn khác nhau?

Tại sao thiết bị đầu cuối nguồn của chức năng MOSFET khác nhau trong khi cấu trúc vật lý của chúng tương tự / đối xứng?

Đây là một MOSFET:
MOSFE

Bạn có thể thấy rằng cống và nguồn là tương tự nhau.
Vậy tại sao tôi cần kết nối một trong số chúng với VCC và cái kia với GND?

mosfet physics

— Dor
nguồn

Quan niệm: sản xuất âm mưu đặt các điốt bên trong vào các thành phần riêng biệt để chỉ các nhà thiết kế vi mạch có thể làm những việc gọn gàng với MOSFET 4 đầu.

Sự thật: MOSFE 4 đầu không phải là rất hữu ích.

Bất kỳ ngã ba PN là một diode (trong số các cách khác để tạo điốt). Một MOSFET có hai trong số chúng, ngay tại đây:

MOSFE với điốt

Khối lớn của silicon pha tạp P là cơ thể hoặc chất nền . Xem xét các điốt này, người ta có thể thấy điều khá quan trọng là cơ thể luôn ở điện áp thấp hơn nguồn hoặc cống. Mặt khác, bạn chuyển tiếp phân cực điốt và đó có thể không phải là điều bạn muốn.

Nhưng đợi đã, nó đang trở nên tồi tệ hơn! Một BJT là một bánh sandwich ba lớp vật liệu NPN, phải không? Một MOSFET cũng chứa một BJT:

MOSFE với BJT

Nếu dòng thoát cao, thì điện áp trên kênh giữa nguồn và cống cũng có thể cao, vì là khác không. Nếu nó đủ cao để phân cực thuận cho diode nguồn cơ thể, bạn không còn có MOSFET nữa: bạn có một BJT. Đó cũng không phải là điều bạn muốn. $R_{DS(on)}$

Trong các thiết bị CMOS, nó thậm chí còn tồi tệ hơn. Trong CMOS, bạn có cấu trúc PNPN, tạo ra thyristor ký sinh. Đây là những gì gây ra chốt .

Giải pháp: rút ngắn cơ thể về nguồn. Chiếc quần này phát ra cơ sở của BJT ký sinh, giữ nó chắc chắn. Lý tưởng nhất là bạn không làm điều này thông qua các khách hàng tiềm năng bên ngoài, bởi vì sau đó "ngắn" cũng sẽ có độ tự cảm và kháng ký sinh cao, làm cho "sự kìm hãm" của BJT ký sinh không quá mạnh. Thay vào đó, bạn rút ngắn chúng ngay khi chết.

Đây là lý do tại sao MOSFE không đối xứng. Có thể một số thiết kế khác là đối xứng, nhưng để tạo ra một MOSFET hoạt động đáng tin cậy như MOSFET, bạn phải rút ngắn một trong những vùng N đó vào cơ thể. Cho dù bạn làm điều đó, bây giờ nó là nguồn và diode bạn không rút ngắn là "diode cơ thể".

Đây thực sự không phải là bất cứ điều gì cụ thể cho các bóng bán dẫn rời rạc. Nếu bạn có MOSFET 4 cực, thì bạn cần đảm bảo rằng thân máy luôn ở mức điện áp thấp nhất (hoặc cao nhất, đối với các thiết bị kênh P). Trong IC, cơ thể là chất nền cho toàn bộ IC và nó thường được kết nối với mặt đất. Nếu cơ thể ở điện áp thấp hơn nguồn, thì bạn phải xem xét hiệu ứng cơ thể . Nếu bạn nhìn vào mạch CMOS nơi có nguồn không được nối với mặt đất (như cổng NAND bên dưới), thì điều đó không thực sự quan trọng, bởi vì nếu B cao, thì bóng bán dẫn thấp nhất sẽ được bật và một bóng bán dẫn thấp nhất ở trên nó thực sự có nguồn của nó kết nối với mặt đất. Hoặc, B thấp và đầu ra cao, và không có bất kỳ dòng điện nào trong hai bóng bán dẫn thấp hơn.

Sơ đồ NAND CMOS

— Phil Frost
nguồn

Trong một NFE rõ ràng cần có tiềm năng nguồn và cống không thấp hơn tiềm năng cơ thể, nhưng điều đó không có nghĩa là nguồn và cống phải có cực tính cố định so với nhau. Rất hiếm khi xảy ra tình huống một người muốn kết nối hoặc ngắt kết nối hai điểm, cả hai điểm này sẽ luôn cao hơn một số điểm "mặt đất", nhưng một trong hai điểm có thể cao hơn điểm kia. Người ta có thể sử dụng hai MOSFET cho điều đó, nhưng điều đó có vẻ hơi lãng phí nếu một "MOSFET bốn thiết bị đầu cuối" có thể thực hiện công việc.

— supercat

@supercat chắc chắn, nhưng sau đó bạn phải tính đến điện dung và điện cảm ký sinh và phân tích mạch của bạn để đảm bảo rằng nguồn và cống vẫn có tiềm năng cao hơn cơ thể ngay cả khi có dv / dt hoặc di / dt cao. Cho rằng các ký sinh trùng này phụ thuộc nhiều vào biến thể bố trí và sản xuất, trong nhiều trường hợp có vẻ khó khăn hơn so với việc thay thế thiết kế trình điều khiển cổng nổi và sử dụng MOSFET 3 đầu thông thường.

— Phil Frost

Có rất nhiều mạch trong đó MOSFE ba cực chỉ là tuyệt vời. Tuy nhiên, có những lúc cần phải chuyển dòng điện theo hai hướng. Người ta có thể sử dụng MOSFET back-to-back, nhưng điều đó có vẻ hơi lãng phí. Có thể là một kết nối nguồn / chất nền rất thuận lợi để xử lý hình học mà một cặp back-to-back với RDSon nhất định và khả năng xử lý hiện tại có thể được làm rẻ hơn so với một MOSFET cơ sở đơn lẻ, trong trường hợp đó sẽ không Thực sự là lãng phí, nhưng tôi không biết nếu đó là trường hợp.

— supercat

Hừm. Tại sao BJT ký sinh là NPN chứ không phải PNP, và tại sao nó chỉ từ cống đến nguồn chứ không phải nguồn để thoát? Nói cách khác, sự bất đối xứng đến từ đâu?

— Jason S

@JasonS Đó là NPN vì đó là cách silicon được pha tạp. Nhìn vào bức tranh và bạn có thể đọc: "n", "p", "n". Không có sự bất cân xứng: Tôi chỉ tùy ý chọn vẽ biểu tượng theo một cách, nhưng điều đó không quan trọng bởi vì một BJT có một số lợi ích ngay cả khi bạn lật ngược nó, đặc biệt là khi BJT mà bạn đang nói đến là ký sinh trùng trong một MOSFET và tối đa hóa lợi ích không phải là một mục tiêu thiết kế.

— Phil Frost

Ngoài câu trả lời của Phil, thỉnh thoảng bạn sẽ thấy mô tả về MOSFET cung cấp thêm chi tiết về sự bất đối xứng

nhập mô tả hình ảnh ở đây

^{Từ hướng dẫn điện tử.wa}

Liên kết không đối xứng từ chất nền (cơ thể) đến các nguồn được hiển thị dưới dạng một đường chấm chấm.

— RedGrittyBrick
nguồn

Hình dạng của các MOSFE rời rạc rất khác so với các dạng tích hợp; trong khi một NFE tích hợp sẽ có chất nền P, nhiều MOSFE rời rạc có chất nền loại N được kết nối với cống ở một bên của bóng bán dẫn; cơ sở (hoạt động giống như chất nền của MOSFET tích hợp) và nguồn được kết nối ở phía bên kia của bóng bán dẫn.

— supercat

Từ quan điểm thiết bị vật lý, chúng là như nhau. Tuy nhiên, khi các FET rời rạc được tạo ra, có một diode bên trong được hình thành bởi chất nền có cực âm ở cống và cực dương tại nguồn, do đó bạn phải sử dụng đầu cuối cống được đánh dấu làm cống và đánh dấu đầu nguồn nguồn làm nguồn.

— Brett Prudhom
nguồn