为什么MOSFET是由Vgs而不是Vgd触发的？

21

仔细查看这种MOSFET的示意图：

在此处输入图片说明

（在本应用笔记中找到）

我们可以看到该设备实际上是对称的。是什么使栅极自身参考源极而不是漏极？

另外，为什么栅极氧化物会在20V Vgs而不是20V Vgd的情况下击穿？

（不是作业问题。只是出于好奇。）

transistors mosfet

— 托马斯·奥
source

1

我知道大多数JFET确实按照您的描述是对称的，哪一端用作源极而哪一端是漏极并不重要。但是，如果同样的情况适用于横向MOSFET，我也不是很肯定。垂直MOSFET包含一个寄生体二极管，当“反向”连接时将无法正常工作。

— Bitrex

1

@Bitrex是的，功率MOS不能正常反向工作。但是，如果漏极-源极通道的电阻足够低，并且该通道正在传导电流，则可以使二极管短路，而不是二极管。它用于有源桥式整流器和其他需要受控整流的设备。但是在出现问题之前，您只能将反向电压限制在0.5V左右；）。

— Thomas O

如果将MOSFET用作同步整流器的一部分，则可以将肖特基二极管与MOSFET的体二极管并联，以保护MOSFET。体二极管通常很弱。

— Mike DeSimone

8

因为您发布的图1是指4端子设备，而不是3 端子设备。如果查看图1中的示意图符号，您会注意到主体端子是未连接到源端子的单独端子。出售的MOSFET几乎总是3端子器件，其中源极和基极连接在一起。

如果记忆体对我有用（不确定100％肯定-似乎已通过本讲义得到证实），则在4端子设备中，源极和漏极之间没有差异，~~而栅极主体电压决定了导通状态请注意，对于N通道设备，人体应该是电路中最负的电压，对于P通道设备，人体应该是电路中最正的电压。~~

（编辑：找到了MOSFET器件物理的参考。源极-漏极行为仍然是对称的，但取决于栅极-源极和栅极-漏极电压。在N沟道中，如果两者均为负，则该沟道不导电。大于阈值电压，您将获得饱和行为（恒定电流）。如果两者都大于阈值电压，您将获得三极管行为（恒定电阻）。主体/本体/衬底仍然需要最负电路中的电压，因此要获得电路中的反向行为，主体+漏极需要绑在一起。

在P通道设备中，此极性相反。）

仔细查看N沟道和P沟道MOSFET的常规原理图符号（来自Wikipedia）：

以及Wikipedia上的MOSFET功能图，您将看到体-源连接。

— 杰森·S
source

即使在4端子中，栅极源电压也决定了通道的状态。因此，您所写的关于门体的说法是不正确的。源-体电压将调节设备的阈值电压。例如，对于NMOS，如果Vs高于Vb，则将需要更大的Vgs才能开启器件（主体效应）。

— mazurnification 2011年

@mazurnification：您对此有何参考？为什么是栅源而不是栅漏或栅体？我试图以任何一种方式都无法找到参考资料。

— 詹森·S

1

刚刚找到此参考： doe.carleton.ca/~tjs/21-mosfetop.pdf，它声明的通道字段基于Vgb，而不是Vgs（直到Vsb = 0时，Vgs = Vgb）。因此，在看到证据表明源终端存在一些特殊之处之前，我不会更改答案。如果仅在源-体连接为低阻抗固定电压且其等效于控制Vgb的等式的情况下，调制阈值电压的体效应为真，我不会感到惊讶。

— 詹森·S

好的，找到一些有关栅极-源极和栅极-漏极电压的信息。

— 詹森·S

关键是Vgb。MOSFET的全部目的是为了在栅极和衬底之间产生电场，以使电荷载流子的分布不平衡，从而改变源极和漏极之间沟道的阻抗。但是，由于源极和基板通常连接在一起（请参见示意图符号），因此Vgs与Vgb相同。如果您不希望通道与基板相同，则必须创建一个阱结构，该结构看起来像从通道到基板的反向偏置二极管。请记住，您可以在IC中创建在分立部件中不可行的结构。

— Mike DeSimone

9

通常绘制的对称截面与高度不对称的实际结构不太吻合。实际上看起来更像这样：

在此处输入图片说明

$I_D$ $V_{GD}$

— 史蒂文夫
source

您确定这不仅是垂直MOS吗？横向MOS是否不同？

— Thomas O

@Thomas-V-MOSFET看起来与众不同：allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/10.html。无论如何，它们是非常不对称的，因此即使图片看起来不同，说明仍然成立。

— stevenvh 2011年

这种结构通常用于分立MOSFET。对称结构通常用于集成电路上的MOSFET，因为它们不能全部共享漏极。

— Mike DeSimone

是的，来自集成电路的mosfet最有可能将是完全对称的

— mazurnification 2011年

@ MikeDeSimone，@ mazurnification-对于IC，它看起来会有所不同，但我仍然不太确定它们是否对称。

— stevenvh 2011年

3

给定MOSFET的操作由其各自电极（漏极，源极，栅极，基体）上的电压决定。

按照NMOS的教科书惯例，在“连接到沟道”的两个电极（在“正常”情况下电流在其间流动）之间的两个电极中，一个连接到较低电位的电极称为源极，而连接到较高电位的一个电极称为漏极。对于PMOS，情况恰恰相反（较高的电势源，较低的电势消耗）。

然后使用该约定，介绍了描述设备操作的所有方程式或文本。这意味着，每当有关NMOS的文章的作者发表有关晶体管源的内容时，他都会考虑连接到较低电位的电极。

现在，器件制造商很可能会根据预期的配置选择在其器件中调用源极/漏极引脚，在该配置中，MOSFET将被放置在最终电路中。例如，在NMOS引脚中通常连接到较低电位的引脚将被称为源极。

因此，剩下两种情况：

A） MOS器件是对称的-这是制造VLSI IC的绝大多数技术的一种情况。

B） MOS设备是不对称的（例如vmos）-这是某些（大多数？）分立功率设备的情况

在A）的情况下-晶体管的哪一侧连接到更高/更低的电位都没关系。在这两种情况下，设备的性能都将完全相同（并且习惯上将哪个电极称为源电极和哪个漏极）。

在B）的情况下（很明显），设备的哪一侧连接到哪个电位都很重要，因为该设备已针对在给定的配置下进行了优化。这意味着，如果将被称为“源极”的引脚连接到较低的电压，那么与将其连接到较高电压的情况相比，描述设备操作的“方程式”将有所不同。

在您的示例中，设备很可能被设计为非对称的，以便优化某些参数。作为折衷方案，降低了“栅极-源极”制动电压，以便在将控制电压施加在称为栅极和源极的引脚之间时更好地控制通道电流。

编辑： 由于关于mos的对称性有很多评论，这里引自Behzad Razavi的“模拟CMOS集成集成电路设计”第12页

— 气化
source

我不确定这些年来仿真技术是如何变化的，但是据我了解，大约十年前，许多仿真器本质上都希望对源极和漏极节点进行标记，以识别哪个节点应视为对另一个节点有影响。本质上，标签“源”的意思是“原因”，“漏极”的意思是“效果”，电路的布局应使得如果NFET的漏极/效果有接地的路径，则源/原因应该是具有通向VSS的路径或“无关”（对于PFET和VDD也是如此）。如果可以布置一个电路来满足该标准，那么……

— supercat

...模拟器可以针对每个时钟阶段按顺序排列所有节点，这样每个节点只需要评估一次，并且任何节点都不会受到“下游”节点的影响（直到下一个时钟阶段为止）节点的排列方式不同）。某些使用通过门的电路将需要反转源极和漏极标签以帮助仿真器，但是总的来说，因果关系限制将使仿真电路变得比实际可行的更快。

— supercat

@supercat-模拟器的“级别”很少。从物理（例如，tcad）开始，其中实际是模拟电场和磁场，然后是电（类似于所有SPICE）到功能（verilog，vhdl，verilogA等）。所有这些在10年前已经非常先进。您提到的那种看上去有点像功能“事件驱动模拟器”（就像Verilog那样），但是我还没有看到这种技术应用于实际的晶体管（也许在所谓的“快速香料”中）。关键是电子（香料）可以轻松处理mosfet的对称性……

— mazurnification 2011年

当然，可以仿真因果不形成有向无环图的电路，并且过去十年来计算能力的提高使大型仿真的全面仿真比十年前更加可行。但是，如果可以将因果关系映射的电路比不能进行因果关系映射的电路能够进行更快的仿真，或者通知仿真器仅应调用某个晶体管以使电流通过，则我不会感到惊讶。一个方向可能有助于发现错误……

— supercat

...它最终以另一种方式通过电流。当然，使用静态逻辑时，此类问题通常会导致VDD-VSS短路，但是在动态逻辑中，如果没有VDD-VSS短路，则可能会引起问题。我不确定要在DRAM外使用多少动态逻辑（是吗？），我的主要观点是，将源极和漏极标记为一种习惯至少会使某些模拟器受益。

— 超级猫

0

MOSFET需要两个条件才能使电流流动：通道中的电荷载流子以及源极和漏极之间的电压梯度。因此，我们需要一个三维的行为空间。漏源特性看起来像这样：在此处输入图片说明

假设我们有一个nmos晶体管，体和源均为0V。让我们还将漏极电压设置为高电平，例如5V。如果我们扫描栅极电压，我们将得到如下所示的内容：

为了使沟道中有大量的电荷载流子，我们需要一个连接源极和漏极的耗尽区，并且还需要从源极中拉出一堆载流子。如果源极和栅极的电压相同，则意味着大部分通道也与源极具有相同的电压，并且载流子需要扩散到晶体管的大部分路径上，才能“落入”漏极。如果栅极-源极电压足够高，则在源极附近的电压梯度会更大，并且载流子将被拉入沟道，从而允许更高的填充量。

— 失语症
source

这解释了MOSFET的工作原理，但未提及任何可能的对称性，也没有回答托马斯的问题，即源极和漏极是否可互换。

— stevenvh 2011年

0

我的2美分的价值：与双极型比较，我知道您可以交换C和E，并且仍然可以工作，但是具有较低的hFE和不同的额定电压：通常，VBE的最大值约为5V至7V。VCB与VCE相同或更高（例如，请参见Fairchild的BC556数据表，其中指定了VCBO，甚至高于VCEO）。物理上，C和E（尺寸，形状和/或掺杂）之间存在（较大）差异，这说明了图中的不对称性。而且我也在实验室中看到了这一点。偶尔发生某人偶然交换C和E的情况，感到惊讶的是它仍然有效，但效果不是很好。

如果有人要为一个功率N沟道MOSFET获得ID（和RDSon）与VGD的图表，那将很有趣。目前还没有实验室访问权限。

— 大卫·S
source