MOSFET: Por que o dreno e a fonte são diferentes?

Por que o dreno do terminal de origem do MOSFET funciona de maneira diferente enquanto sua estrutura física é semelhante / simétrica?

Este é um MOSFET:
MOSFET

Você pode ver que o dreno e a fonte são semelhantes.
Então, por que preciso conectar um deles ao VCC e o outro ao GND?

mosfet physics

— Dor
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Mito: os fabricantes conspiram para colocar diodos internos em componentes discretos, para que apenas os projetistas de IC possam fazer coisas legais com MOSFETs de 4 terminais.

Verdade: MOSFETs de 4 terminais não são muito úteis.

Qualquer junção PN é um diodo (entre outras maneiras de fabricar diodos). Um MOSFET tem dois deles, bem aqui:

MOSFET com diodos

Esse grande pedaço de silicone dopado com P é o corpo ou o substrato . Considerando esses diodos, pode-se ver que é muito importante que o corpo esteja sempre em uma tensão mais baixa que a fonte ou o dreno. Caso contrário, você desviará os diodos, e provavelmente não é isso que você queria.

Mas espere, fica pior! Um BJT é um sanduíche de três camadas de materiais NPN, certo? Um MOSFET também contém um BJT:

MOSFET com BJT

Se a corrente de dreno for alta, a tensão no canal entre a fonte e o dreno também poderá ser alta, porque é diferente de zero. Se for alto o suficiente para influenciar o diodo da fonte corporal, você não terá mais um MOSFET: você terá um BJT. Isso também não é o que você queria. $R_{DS(on)}$

Nos dispositivos CMOS, fica ainda pior. No CMOS, você possui estruturas PNPN, que formam um tiristor parasitário. É isso que causa o travamento .

Solução: encurte o corpo até a fonte. Isso reduz o emissor-base do parasita BJT, mantendo-o firmemente. Idealmente, você não faz isso através de derivações externas, porque o "curto" também teria alta indutância e resistência parasitárias, tornando o "adiamento" do parasita BJT não tão forte. Em vez disso, você os coloca diretamente no dado.

É por isso que os MOSFETs não são simétricos. Pode ser que alguns projetos sejam simétricos, mas para criar um MOSFET que se comporte de maneira confiável como um MOSFET, é necessário encurtar uma dessas N regiões para o corpo. Para qualquer um que você fizer isso, agora é a fonte, e o diodo que você não interrompeu é o "diodo do corpo".

Isso não é nada específico para transistores discretos, na verdade. Se você possui um MOSFET de 4 terminais, é necessário garantir que o corpo esteja sempre na tensão mais baixa (ou mais alta, para dispositivos de canal P). Nos CIs, o corpo é o substrato de todo o CI e geralmente está conectado ao solo. Se o corpo estiver em uma tensão mais baixa que a fonte, considere o efeito do corpo . Se você der uma olhada em um circuito CMOS em que há uma fonte não conectada ao terra (como a porta NAND abaixo), isso realmente não importa, porque se B é alto, então o transistor mais baixo está ligado e aquele acima, na verdade, ela tem sua fonte conectada ao terra. Ou, B é baixo, e a saída é alta, e não há corrente nos dois transistores inferiores.

Esquemático CMOS NAND

— Phil Frost
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Em um NFET, é claramente necessário que os potenciais de fonte e dreno não sejam inferiores ao potencial do corpo, mas isso não implica que a fonte e o dreno devam ter uma polaridade fixa em relação um ao outro. É dificilmente raro haver uma situação em que se queira conectar ou desconectar dois pontos, os quais sempre serão mais altos do que algum ponto "básico", mas um dos quais poderá ser maior que o outro. Pode-se usar dois MOSFETs para isso, mas isso pareceria um pouco inútil se um "MOSFET de quatro terminais" pudesse fazer o trabalho.

— supercat

@ supercat claro, mas você deve considerar as capacitâncias e indutâncias parasitas e analisar seu circuito para garantir que a fonte e o dreno permaneçam com potenciais mais altos que o corpo, mesmo na presença de dv / dt ou di / dt altos. Dado que esses parasitas são altamente dependentes da variação de layout e fabricação, em muitos casos isso parece mais difícil do que a alternativa de projetar um driver de portão flutuante e usar um MOSFET de 3 terminais comum.

— Phil Frost

Existem muitos circuitos nos quais os MOSFETs de três terminais são ótimos. Há momentos, no entanto, em que é necessário mudar a corrente em duas direções. Pode-se usar MOSFETs consecutivos, mas isso parece um pouco inútil. Pode ser que uma conexão de origem / substrato seja tão vantajosa para a geometria do processo que um par consecutivo com um determinado RDSon e capacidade de manipulação de corrente possa ficar mais barato do que um único MOSFET de base isolada; nesse caso, não seria será realmente um desperdício, mas não sei se é esse o caso.

— Supercat

Hmm. Por que o BJT parasitário é um NPN em vez de um PNP, e por que aponta do dreno para a fonte, em vez de fonte para drenar? Em outras palavras, de onde vem a assimetria?

— Jason S

@ JasonS É um NPN porque é assim que o silício é dopado. Olhe para a foto e você pode ler: "n", "p", "n". Não há assimetria: eu apenas escolhi arbitrariamente desenhar o símbolo de uma maneira, mas isso não importa porque um BJT tem algum ganho, mesmo que você o inverta, especialmente quando o BJT de que você está falando é o parasita em um MOSFET e maximizar o ganho não eram um objetivo do projeto.

— Phil Frost

Além da resposta de Phil, ocasionalmente você verá uma representação de um MOSFET que fornece mais detalhes da assimetria

insira a descrição da imagem aqui

^{De electronics-tutorials.wa}

O link assimétrico do substrato (corpo) para as fontes é mostrado como uma linha pontilhada.

— RedGrittyBrick
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A geometria dos MOSFETs discretos é muito diferente da dos integrados; enquanto um NFET integrado terá um substrato P, muitos MOSFETs discretos têm um substrato do tipo N que é conectado ao dreno em um lado do transistor; a base (que se comporta como o substrato de um MOSFET integrado) e a fonte estão conectadas do outro lado do transistor.

— Supercat

Do ponto de vista do dispositivo físico, eles são os mesmos. No entanto, quando FETs discretos são produzidos, existe um diodo interno formado pelo substrato que tem seu cátodo no dreno e o ânodo na fonte, portanto, você deve usar o terminal de drenagem marcado como o dreno e o terminal de fonte marcado como a fonte.

— Brett Prudhom
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