Pourquoi les MOSFET discrets à quatre terminaux sont-ils si difficiles à trouver?

Je sais qu'un MOSFET est un appareil à quatre bornes, mais presque chaque MOSFET discret que vous pouvez acheter a son volume / corps / substrat connecté en interne à la source. Pourquoi est-ce? Il est peu pratique à utiliser dans certains types de circuits, par exemple lors de la mise en place d'une conception de circuit intégré de base (à des fins pédagogiques) dans laquelle tous les terminaux du corps sont connectés soit à VCC soit à la terre. Les MOSFET discrets à 4 bornes ne sont-ils tout simplement pas utiles? Ou existe-t-il un moyen simple de les simuler avec quelques MOSFET à 3 terminaux?

Bien que les FET sur une puce monolithique soient symétriques, de nombreux FET discrets ont une structure très différente qui essaie de maximiser la surface utile ainsi que la connectivité source / drain. La connexion de substrat en vrac sur un transistor ou une puce a une excellente capacité de gestion du courant, et si l'on concevait une puce NMOS LSI dans laquelle chaque transistor devait avoir sa source ou son drain lié à un point commun, les performances seraient probablement optimisées en ayant le substrat sert de source ou de drain à tous les transistors. Cependant, la plupart des puces utilisent la connexion en bloc comme base commune, ce qui gâche ses capacités de gestion du courant, mais permet aux connexions de source et de drain de chaque transistor d'être indépendantes.

Un MOSFET "discret" typique ne sera en fait pas un transistor, mais des dizaines ou des centaines de transistors en parallèle. Parce que tous les transistors sont censés avoir leurs drains liés, l'utilisation du substrat comme drain ne causera pas les mêmes problèmes de conception que dans une puce LSI. Étant donné que le substrat peut être très bien solidement connecté à une borne extérieure, une telle conception améliorera à la fois la conductivité du drain et éliminera également la nécessité d'utiliser du métal sur le dessus pour la connexion du drain, permettant ainsi l'utilisation de plus de métal pour connecter les sources . Malheureusement, si les transistors sont disposés de telle sorte que toutes leurs sources forment un "maillage" (bon pour la connectivité), cela laissera leurs bases comme des îles isolées. Bien qu'il soit possible d'exécuter des pistes métalliques pour connecter toutes les bases ensemble, pour ce faire, il faudrait soit subdiviser le métal connecté à la source en plusieurs bandes (dégradation des performances), soit ajouter une couche métallique supplémentaire et une couche isolante supplémentaire (augmentation significative des coûts). Étant donné que chaque section de base a la couche métallique pour la connexion source située directement au-dessus, il est beaucoup plus facile d'avoir simplement les bases ainsi que les sources connectées à cela.

Il en est ainsi parce que si vous utilisez un MOSFET comme cela se fait normalement (polarisation inverse de la diode du corps), il n'y a pas de différence si le Bulk est connecté à la source ou à une tension encore plus négative (canal N) respectivement plus positive ( Canal P) que la source.

Si vous voulez construire vos propres portes logiques, portes de transmission, etc. avec des MOSFETS à canal N et P simples, le CMOS-IC 4007 est probablement ce que vous cherchez, bien que les 6 MOSFET inclus ne puissent pas tous être connectés complètement au hasard (une paire de canaux P / N est configurée comme inverseur, une paire est partiellement connectée à V + et GND; une seule paire est complètement libre).

Voici des exemples .

"Les MOSFET discrets à 4 terminaux ne sont-ils tout simplement pas utiles?"

Certaines utilisations potentielles incluent la traduction au niveau logique et la protection IC. La quatrième broche change l'effet de la diode intrinsèque du corps de celle qui court-circuite la sortie à l'entrée (ou vice versa) rendant le circuit asymétrique, à une diode qui est polarisée pour les signaux de tension positifs. Si vous regardez la fiche technique d'un Phillips GTL2000, vous trouvez que le quatrième terminal à l'intérieur du circuit intégré est symboliquement lié à la terre comme il l'est dans la construction physique. Si vous souhaitez dupliquer cela avec des périphériques discrets, vous avez besoin que le quatrième terminal soit séparé. Cela vous permet de faire le même type de traduction et de protection sans la tension maximale absolue très restrictive ainsi que de modifier d'autres paramètres tels que le courant maximum, RDS activé, etc. de cet appareil. Le GTL2000 dispose de 23 FET (22 pour les données, un pour une astuce astucieuse de polarisation) connecté aux sources et aux drains chacun amené à des broches séparées, les connexions du corps toutes mises en évidence sur la même broche (masse), et toutes les connexions de grille attachées ensemble et amenées à une seule broche qui sera lié à la tension qui produit la tension de serrage souhaitée. D'autres circuits intégrés qui sont utilisés de manière similaire ont des spécifications limitées de la même manière, sauf une de maxim qui autorise des tensions plus élevées mais a deux fets en série (avec un RDSon plus élevé pour les tensions positive et négative) et nécessite une tension de polarisation négative ou la limite de serrage inférieure empêchera un niveau logique 0. Par conséquent, si vous voulez une pince de niveau logique bidirectionnelle et un protecteur d'entrée qui protègeront un appareil des connexions accidentelles à 13,8 V, vous devez rouler le vôtre. Quelqu'un a déjà mentionné l'application de commutation analogique mosfet, qui pourrait être étendu pour couvrir une variété d'applications discrètes. Et dans certains cas, des broches de source et des languettes de corps séparées peuvent permettre au dissipateur thermique de transistor haut et flottant au plan de masse du PCB sans isolant et des dispositifs de montage en surface pourraient être soudés au plan de masse. Mais cela pourrait ne pas fournir les avantages souhaités en raison de résistances internes plus élevées.

Étant donné que la plupart des ingénieurs n'ont probablement jamais tenu un appareil à 4 terminaux entre leurs mains, il existe de nombreuses applications intelligentes qui pourraient ne pas avoir été limitées par l'alimentation.

Il est probable que les fabricants ne souhaitent pas utiliser un package plus cher (4 broches contre 3) pour un mode de fonctionnement qui a diminué les performances (effet de porte arrière) que très peu de gens utiliseront.

Je remets même en question la validité de s'inquiéter de ce détail lorsqu'un transistor discret est tellement éloigné des performances d'un transistor sur puce que de rendre les comparaisons de performances sans objet. Il suffit d'appeler cela pour ajouter à la liste des différences et l'utiliser comme une expérience d'apprentissage.

il n'y a pas de différence si le Bulk est connecté à la source ou à une tension ... "n'est absolument pas vrai. Il y a l'effet de backgate dans lequel le volume module le canal de l'arrière. C'est la raison pour laquelle NMOS dans un Le substrat P utilisé dans un émetteur adepte vous donne toujours un gain de 0,8 plutôt que de 1,0 - placeholder 4 novembre 14 à 15:33

@placeholder: Ok, disons que dans la plupart des applications il n'y a pas de différence ... (comme je l'ai dit "normalement"). - Curd 4 novembre 14 à 15:42

@placeholder: Je suppose que vous voulez dire suiveur source (au lieu de suiveur émetteur) - Curd 4 novembre 14 à 15:45

Oui, source non émettrice ... Et dans tous les cas elle se manifeste et se remarque. Il est donc normal que l'effet corporel soit présent. Seuls les transistors FD-SOI n'ont pas cet effet (mais ils ont d'autres problèmes) - espace réservé 4 novembre 14 à 15:49

... mais pas dans tous les cas, cela importe du tout; comme dans les exemples que j'ai liés et aux fins que je peux supposer que le PO l'utilisera. - Curd 4 novembre 14 à 15:57

Vous les manquez. Bien sûr, il y a une différence de performance due à l'effet corporel. Mais fonctionnellement parlant, le substrat devrait être la tension la plus négative du circuit pour NMOS et la tension la plus positive du circuit pour PMOS. Sinon, la jonction PN entre la source et le substrat ou la tension drain-substrat peut devenir une jonction PN polarisée en direct et vous n'aurez plus de FET fonctionnel.

Et si vous attachez le corps à la source et que vous souhaitez utiliser le NFET pour un commutateur d'échantillonnage, que se passe-t-il si la tension de drain est inférieure à la tension de source? OUPS? Lorsque le corps est connecté à la source, vous ne pouvez pas laisser la tension de drain descendre en dessous de la tension de la source. Ou son bye bye FET et bonjour la diode.