MOSFET: Pourquoi le drain et la source sont différents?

Pourquoi le drain du terminal source du MOSFET fonctionne-t-il différemment alors que leur structure physique est similaire / symétrique?

C'est un MOSFET:
MOSFET

Vous pouvez voir que le drain et la source sont similaires.
Alors, pourquoi dois-je connecter l’un d’eux à VCC et l’autre à GND?

mosfet physics

— Dor
source

Mythe: les fabricants conspirent pour mettre des diodes internes dans des composants discrets afin que seuls les concepteurs de circuits intégrés puissent faire des choses ordonnées avec les MOSFET à 4 bornes.

Vérité: les MOSFET à 4 terminaux ne sont pas très utiles.

Toute jonction PN est une diode (entre autres façons de fabriquer des diodes). Un MOSFET en a deux, juste ici:

MOSFET avec diodes

Ce gros morceau de silicium dopé P est le corps ou le substrat . Si l’on considère ces diodes, il est très important que le corps soit toujours sous une tension inférieure à celle de la source ou du drain. Sinon, les diodes sont polarisées en avant, et ce n'est probablement pas ce que vous souhaitiez.

Mais attends, ça devient pire! Un BJT est un sandwich à trois couches de matériaux NPN, non? Un MOSFET contient également un BJT:

MOSFET avec BJT

Si le courant de drain est élevé, la tension sur le canal entre la source et le drain peut également être élevée, car est non nulle. Si elle est suffisamment élevée pour polariser en avant la diode source du corps, vous n’avez plus de MOSFET: vous avez un BJT. C'est aussi pas ce que vous vouliez. $R_{DS(on)}$

Dans les appareils CMOS, la situation empire encore davantage. Dans CMOS, vous avez des structures PNPN, qui forment un thyristor parasite. C'est ce qui provoque le latchup .

Solution: raccourcir le corps à la source. Ceci court-circuite la base-émettrice du parasite BJT, en la maintenant fermement. Idéalement, vous ne le ferez pas par des dérivations externes, car le "court" aurait également une inductance et une résistance parasitaires élevées, ce qui rendrait le "blocage" du BJT parasite moins puissant. Au lieu de cela, vous les raccourcissez juste à la matrice.

C'est pourquoi les MOSFET ne sont pas symétriques. Il se peut que certaines conceptions soient symétriques sinon, mais pour créer un MOSFET qui se comporte de manière fiable comme un MOSFET, vous devez raccourcir une de ces N régions au corps. Pour celui que vous faites cela, c'est maintenant la source et la diode que vous n'avez pas mise en court est la "diode du corps".

Ce n'est pas vraiment spécifique aux transistors discrets. Si vous avez un MOSFET à 4 bornes, vous devez vous assurer que le corps est toujours à la tension la plus basse (ou la plus élevée pour les dispositifs à canal P). Dans les circuits intégrés, le corps est le substrat de tout le circuit, et il est généralement connecté à la terre. Si le corps est à une tension inférieure à celle de la source, vous devez alors prendre en compte l' effet du corps . Si vous examinez un circuit CMOS comportant une source non connectée à la terre (comme la porte NAND ci-dessous), cela n'a pas vraiment d'importance, car si B est haut, le transistor le plus bas est activé et celui au-dessus, sa source est effectivement connectée à la terre. Ou bien B est bas et la sortie est élevée et il n’ya pas de courant dans les deux transistors inférieurs.

Schéma CMOS NAND

— Phil Frost
source

Dans un NFET, il est clairement nécessaire que les potentiels de source et de drain ne soient pas inférieurs au potentiel de corps, mais cela n'implique pas que la source et le drain doivent avoir une polarité fixe l'un par rapport à l'autre. Il n’est pas rare que l’on veuille connecter ou déconnecter deux points, qui seront toujours plus hauts que certains points "terre", mais l’un ou l’autre pouvant être plus haut que l’autre. On pourrait utiliser deux MOSFET pour cela, mais cela semblerait un peu inutile si un "MOSFET à quatre terminaux" pouvait faire le travail.

— Supercat

@supercat sure, mais vous devez alors tenir compte des capacités et des inductances parasites et analyser votre circuit pour garantir que la source et le drain restent à des potentiels plus élevés que le corps, même en présence de dv / dt ou de di / dt élevés. Étant donné que ces parasites dépendent fortement des variations de disposition et de fabrication, cela semble souvent plus difficile que la solution consistant à concevoir un pilote de grille flottante et à utiliser un MOSFET à 3 terminaux ordinaire.

— Phil Frost

Il existe de nombreux circuits où les MOSFET à trois terminaux sont tout simplement géniaux. Cependant, il est parfois nécessaire de changer de courant dans deux directions. On pourrait utiliser des MOSFET dos à dos, mais cela semble un peu inutile. Il se peut qu’une connexion source / substrat soit si avantageuse pour traiter la géométrie qu’une paire dos à dos avec un RDSon donné et une capacité de gestion du courant donnée soit moins chère qu’un simple MOSFET à base isolée, auquel cas ne vous gaspillez pas vraiment, mais je ne sais pas si c'est le cas.

— Supercat

Hmm. Pourquoi le BJT parasite est-il un NPN plutôt qu'un PNP, et pourquoi pointe-t-il de drain à source plutôt que de source à drainer? En d'autres termes, d'où provient l'asymétrie?

— Jason S

@JasonS C'est un NPN car c'est ainsi que le silicium est dopé. Regardez la photo et vous pouvez lire: "n", "p", "n". Il n’ya pas d’asymétrie: j’ai arbitrairement choisi de dessiner le symbole d’une manière, mais cela n’a pas d’importance, car un TJB a un avantage, même si vous le renversez, en particulier lorsque le TJ dont vous parlez est parasite. un MOSFET et maximiser le gain n'était pas un objectif de conception.

— Phil Frost

Suite à la réponse de Phil, vous verrez parfois une représentation d'un MOSFET qui donne plus de détails sur l'asymétrie.

entrez la description de l'image ici

^{De electronics-tutorials.wa}

Le lien asymétrique entre le substrat (le corps) et les sources est indiqué par une ligne pointillée.

— RedGrittyBrick
source

La géométrie des MOSFET discrets est très différente de celle des intégrés. alors qu'un NFET intégré aura un substrat P, de nombreux MOSFET discrets ont un substrat de type N qui est connecté au drain d'un côté du transistor; la base (qui se comporte comme le substrat d'un MOSFET intégré) et la source sont connectés de l'autre côté du transistor.

— Supercat

Du point de vue du périphérique physique, ce sont les mêmes. Cependant, lorsque des FET discrets sont produits, il existe une diode interne formée par le substrat, dont la cathode au drain et l’anode à la source. Vous devez donc utiliser la borne de drain marquée comme drain et la borne de source marquée en tant que source.

— Brett Prudhom
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