MOSFET:为什么漏极和源极不同?


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为什么在其物理结构相似/对称的情况下,MOSFET的源极端子的漏极功能不同?

这是一个MOSFET:
场效应管

您可以看到漏极和源极相似。
那么,为什么需要将其中一个连接到VCC,将另一个连接到GND?

Answers:


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误解:制造商共谋在分立元件中放置内部二极管,因此只有IC设计人员才能使用4端子MOSFET进行出色的处理。

真相:4端子MOSFET并不是很有用。

任何PN结都是二极管(在其他制造二极管的方法中)。MOSFET有两个,就在这里:

带二极管的MOSFET

大部分的P掺杂硅是主体衬底。考虑到这些二极管,可以看出,人体始终处于比源极或漏极低的电压,这一点非常重要。否则,您将二极管正向偏置,这可能不是您想要的。

但是,等等,情况变得更糟!BJT是NPN材料的三层三明治,对吗?MOSFET还包含一个BJT:

带BJT的MOSFET

如果漏极电流很高,则源极和漏极之间的沟道两端的电压也可能很高,因为不为零。如果它足够高,可以对体源二极管进行正向偏置,那么您就不再需要MOSFET了:您拥有了BJT。这也是不是你想要的。[Rð小号Øñ

在CMOS器件中,情况更糟。在CMOS中,您具有PNPN结构,可构成寄生晶闸管。这就是导致闩锁的原因。

解决方案:将主体短接至源头。这使寄生BJT的基极-发射极短路,使其牢固地保持住。理想情况下,您不要通过外部引线来执行此操作,因为那样的话,“短路”也将具有较高的寄生电感和电阻,从而使寄生BJT的“抑制”能力不那么强。相反,您会在即将死时将它们做空。

这就是MOSFET不对称的原因。可能某些设计原本是对称的,但是要使MOSFET可靠地表现得像MOSFET,则必须将这N个区域之一短路到人体。无论您对哪个人执行此操作,它现在都是源,没有短路的二极管就是“体二极管”。

实际上,这并不是分立晶体管所特有的。如果确实有4端子MOSFET,则需要确保主体始终处于最低电压(对于P沟道器件,则始终为最高电压)。在集成电路中,主体是整个集成电路的基板,通常将其接地。如果人体的电压低于电源电压,则必须考虑人体效应。如果您看一下CMOS电路,其中有一个未接地的源极(如下面的“与非”门),那没关系,因为如果B为高电平,则最低的晶体管导通,而另一个则导通。实际上,其上方的电源确实接地了。或者,B为低电平,输出为高电平,下面两个晶体管中没有电流。

CMOS NAND原理图


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在NFET中,显然有必要使源极和漏极电位不低于体电位,但这并不意味着源极和漏极之间的极性必须固定。一个人想要连接或断开两个点的情况很少见,这两个点都将始终高于某个“接地”点,但其中任何一个点都可能高于另一个。一个人可以使用两个MOSFET,但是如果“四端MOSFET”可以完成这项工作,那似乎有些浪费。
2014年

@supercat当然可以,但是随后您必须考虑寄生电容和电感并分析电路,以确保即使在存在高dv / dt或di / dt的情况下,源极和漏极仍保持高于人体的电位。鉴于这些寄生效应高度依赖于布局和制造变化,因此在许多情况下,这似乎比设计浮动栅极驱动器和使用普通的3端MOSFET更为困难。
Phil Frost 2014年

在很多电路中,三端MOSFET都很棒。但是,有时需要在两个方向上切换电流。可以使用背对背MOSFET,但这似乎有些浪费。可能是源极/衬底连接对处理几何结构是如此有利,以至于具有给定RDSon和电流处理能力的背对背对可以比单个隔离基MOSFET便宜,在这种情况下,实际上并没有浪费,但我不知道是不是这种情况。
超级猫2014年

嗯 为什么寄生BJT是NPN而不是PNP,为什么它从漏极指向源极而不是源极到漏极?换句话说,不对称来自何处?
杰森S

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@JasonS这是一个NPN,因为硅就是这样掺杂的。查看图片,您可以看到:“ n”,“ p”,“ n”。没有不对称性:我只是随意选择以一种方式绘制符号,但这没关系,因为即使将BJT上下颠倒,BJT也会有所收获,尤其是当您正在谈论的BJT是寄生虫时, MOSFET和最大增益并不是设计目标。
Phil Frost 2015年

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除了Phil的回答,偶尔您还会看到MOSFET的描述,该描述提供了更多关于不对称的细节

在此处输入图片说明

electronics-tutorials.wa

从基板(主体)到源的不对称链接显示为虚线。


分立MOSFET的几何形状与集成MOSFET的几何形状有很大不同。而集成NFET将具有P型衬底,许多分立MOSFET具有连接到一个N型衬底漏极上的晶体管的一侧上; 基极(其行为类似于集成MOSFET的衬底)和源极连接在晶体管的另一侧。
2014年

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从物理设备的角度来看,它们是相同的。但是,当生产分立的FET时,衬底会形成一个内部二极管,其阴极在漏极,源极在阳极,因此必须将标记的漏极端子用作漏极,将标记的源极端子用作源极。

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