MOSFET: ทำไมท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิดแตกต่างกันอย่างไร

ทำไมการระบายเทอร์มินัลแหล่งที่มาของฟังก์ชัน MOSFET แตกต่างกันในขณะที่โครงสร้างทางกายภาพของพวกเขามีความคล้ายคลึงกัน / สมมาตร?

นี่คือ MOSFET:
MOSFET

คุณจะเห็นว่าท่อระบายน้ำและแหล่งที่มาจะคล้ายกัน
เหตุใดฉันจึงต้องเชื่อมต่อหนึ่งใน VCC และอีกอันเข้ากับ GND

mosfet physics

— Dor
แหล่งที่มา

ความเชื่อผิด ๆ : ผู้ผลิตสมคบคิดที่จะวางไดโอดภายในไว้ในองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องดังนั้นผู้ออกแบบ IC เท่านั้นที่สามารถทำสิ่งต่าง ๆ ได้อย่างเรียบร้อยด้วย MOSFET 4 ขั้ว

ความจริง: MOSFET 4 เทอร์มินัลไม่มีประโยชน์มาก

ทางแยก PNใด ๆเป็นไดโอด (ท่ามกลางวิธีอื่น ๆ ในการทำไดโอด) MOSFET มีสองแบบอยู่ที่นี่:

MOSFET พร้อมไดโอด

ที่ก้อนใหญ่ของซิลิกอน P-เจือเป็นร่างกายหรือสารตั้งต้น เมื่อพิจารณาไดโอดเหล่านี้จะเห็นได้ว่าเป็นเรื่องสำคัญที่ร่างกายจะต้องมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแหล่งกำเนิดหรือท่อระบายน้ำเสมอ ไม่เช่นนั้นคุณให้อคติต่อไดโอดและนั่นอาจไม่ใช่สิ่งที่คุณต้องการ

แต่เดี๋ยวก่อนมันแย่ลง! BJT เป็นแซนด์วิชสามชั้นของวัสดุ NPN ใช่ไหม MOSFET ยังมี BJT:

MOSFET กับ BJT

หากกระแสระบายออกสูงแรงดันไฟฟ้าข้ามช่องสัญญาณระหว่างต้นทางและท่อระบายน้ำก็อาจสูงเนื่องจากไม่ใช่ศูนย์ ถ้ามันสูงพอที่จะส่งต่อความลำเอียงของแหล่งกำเนิดร่างกายคุณไม่มี MOSFET อีกต่อไป: คุณมี BJT นั่นคือยังไม่ได้สิ่งที่คุณต้องการ $R_{DS(on)}$

ในอุปกรณ์ CMOS มันยิ่งแย่ลงไปอีก ใน CMOS คุณมีโครงสร้าง PNPN ซึ่งทำไทริสเตอร์เหมือนกาฝาก นี่คือสิ่งที่ทำให้เกิดlatchup

วิธีแก้ปัญหา: ย่อตัวแหล่งกำเนิด กางเกงขาสั้นตัวนี้เป็นตัวปล่อยฐานของ BJT ปรสิตถือมันไว้แน่น ในทางที่ดีคุณจะไม่ทำสิ่งนี้ผ่านทางที่เป็นผู้นำเพราะ "สั้น" ก็จะมีการเหนี่ยวนำและการต่อต้านกาฝากสูงทำให้ "การถือครอง" ของ BJT ปรสิตไม่รุนแรงนัก แต่คุณทำให้สั้นพวกเขาที่ตาย

นี่คือเหตุผลที่ MOSFET ไม่สมมาตร อาจเป็นได้ว่าการออกแบบบางอย่างนั้นมีความสมมาตร แต่หากต้องการสร้าง MOSFET ที่ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเหมือนกับ MOSFET คุณจะต้องตัดส่วน N หนึ่งส่วนเหล่านั้นออกจากร่างกาย ไม่ว่าคุณจะทำอะไรก็ตามตอนนี้กลายเป็นแหล่งที่มาและไดโอดที่คุณไม่ได้ย่อคือ "body diode"

มันไม่ได้เป็นอะไรที่เฉพาะเจาะจงสำหรับทรานซิสเตอร์แบบแยกส่วนจริงๆ หากคุณมี MOSFET แบบ 4 เทอร์มินัลคุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าร่างกายมีแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดเสมอ (หรือสูงสุดสำหรับอุปกรณ์ P-channel) ในไอซีร่างกายเป็นสารตั้งต้นสำหรับ IC ทั้งหมดและมักเชื่อมต่อกับกราวด์ หากร่างกายอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าแหล่งที่มาแล้วคุณจะต้องพิจารณาผลกระทบของร่างกาย ถ้าคุณดูวงจร CMOS ที่มีแหล่งที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับกราวด์ (เช่นประตู NAND ด้านล่าง) มันไม่สำคัญเลยเพราะถ้า B สูงแล้วทรานซิสเตอร์ที่ต่ำกว่าส่วนใหญ่ก็จะเปิด ข้างต้นจริง ๆ แล้วมันมีแหล่งที่มาเชื่อมต่อกับพื้นดิน หรือ B ต่ำและเอาท์พุทสูงและไม่มีกระแสใด ๆ ในทรานซิสเตอร์สองตัวที่ต่ำกว่า

แผนผัง CMOS NAND

— Phil Frost
แหล่งที่มา

ใน NFET มีความจำเป็นอย่างชัดเจนว่าแหล่งกำเนิดและศักยภาพในการระบายน้ำต้องไม่ต่ำกว่าศักยภาพของร่างกาย แต่ไม่ได้หมายความว่าแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำจะต้องมีขั้วคงที่ซึ่งสัมพันธ์กัน เป็นเรื่องยากที่จะมีสถานการณ์ที่หนึ่งต้องการเชื่อมต่อหรือปลดการเชื่อมต่อสองจุดซึ่งทั้งสองอย่างนี้จะสูงกว่าจุด "พื้นดิน" เสมอ แต่อย่างใดอย่างหนึ่งซึ่งอาจจะสูงกว่าอีกจุดหนึ่ง เราสามารถใช้มอสเฟตสองตัวสำหรับสิ่งนั้นได้ แต่มันอาจดูสิ้นเปลืองหาก "สี่เทอร์มินัลมอสเฟต" สามารถทำงานได้

— supercat

@supercat แน่นอน แต่คุณต้องคำนึงถึงความสามารถของกาฝากและตัวเหนี่ยวนำและวิเคราะห์วงจรของคุณเพื่อรับประกันว่าแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำยังคงมีศักยภาพสูงกว่าร่างกายแม้ในที่ที่มี dv / dt สูงหรือ di / dt เนื่องจากปรสิตเหล่านี้ขึ้นอยู่กับรูปแบบและรูปแบบการผลิตในหลาย ๆ กรณีที่ดูเหมือนจะยากกว่าทางเลือกในการออกแบบตัวขับประตูแบบลอยตัวและการใช้ MOSFET แบบ 3 ขั้วแบบธรรมดา

— Phil

มีหลายวงจรที่ MOSFET สามขั้วนั้นยอดเยี่ยมมาก อย่างไรก็ตามมีบางครั้งที่จำเป็นต้องเปลี่ยนกระแสในสองทิศทาง หนึ่งสามารถใช้ MOSFET แบบแบ็คทูแบ็คได้ แต่ดูเหมือนว่าจะสิ้นเปลือง มันอาจเป็นไปได้ว่าการเชื่อมต่อแหล่งที่มา / สารตั้งต้นนั้นเป็นประโยชน์ในการประมวลผลทางเรขาคณิตที่คู่กลับไปกลับพร้อม RDS ที่กำหนดและความสามารถในการจัดการกระแสสามารถทำได้ถูกกว่า MOSFET ฐานเดี่ยวที่แยกได้ในกรณีนี้ จะสิ้นเปลืองจริง ๆ แต่ฉันไม่รู้ว่าเป็นอย่างนั้นหรือเปล่า

— supercat

อืมมม ทำไมปรสิต BJT จึงเป็น NPN มากกว่า PNP และทำไมมันชี้จากท่อระบายน้ำถึงแหล่งน้ำแทนที่จะเป็นแหล่งระบายน้ำ? กล่าวอีกนัยหนึ่งความไม่สมดุลมาจากไหน

— Jason S

@ Jason เป็น NPN เพราะนั่นคือวิธีที่ซิลิกอนเจือด้วย ดูรูปและคุณสามารถอ่านได้: "n", "p", "n" ไม่มีความไม่สมดุล: ฉันเลือกที่จะวาดสัญลักษณ์แบบทางเดียว แต่มันก็ไม่สำคัญเพราะ BJT มีผลกำไรบ้างแม้ว่าคุณจะพลิกมันกลับหัวกลับหางโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อ BJT ที่คุณพูดถึงเป็นกาฝากใน MOSFET และการเพิ่มผลกำไรสูงสุดไม่ใช่เป้าหมายการออกแบบ

— Phil

นอกเหนือจากคำตอบของฟิลบางครั้งคุณจะเห็นภาพของ MOSFET ที่ให้รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับความไม่สมดุล

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

^{จากelectronics-tutorials.wa}

ลิงค์ไม่สมมาตรจากวัสดุพิมพ์ (ตัวถัง) ไปยังแหล่งกำเนิดจะแสดงเป็นเส้นประ

— RedGrittyBrick
แหล่งที่มา

เรขาคณิตของมอสเฟตไม่ต่อเนื่องนั้นแตกต่างอย่างมากจากที่รวมเข้าด้วยกัน ในขณะที่ NFET ในตัวจะมี P-substrate แต่ MOSFET ที่แยกจากกันส่วนใหญ่จะมี N-type substrate ซึ่งเชื่อมต่อกับท่อระบายน้ำที่ด้านหนึ่งของทรานซิสเตอร์ ฐาน (ซึ่งทำงานเหมือนพื้นผิวของ MOSFET ในตัว) และแหล่งกำเนิดนั้นเชื่อมต่ออยู่อีกด้านหนึ่งของทรานซิสเตอร์

— supercat

จากมุมมองของอุปกรณ์ทางกายภาพพวกเขาเหมือนกัน อย่างไรก็ตามเมื่อมีการสร้าง FET ที่ไม่ต่อเนื่องจะมีไดโอดภายในที่เกิดขึ้นจากสารตั้งต้นที่มีแคโทดอยู่ที่ท่อระบายน้ำและขั้วบวกที่แหล่งกำเนิดดังนั้นคุณต้องใช้เทอร์มินัลระบายน้ำที่ทำเครื่องหมายเป็นเทอร์มินัล

— เบร็ทพรูดม
แหล่งที่มา