Por que os MOSFETs discretos de quatro terminais são tão difíceis de encontrar?

Sei que um MOSFET é um dispositivo de quatro terminais, mas quase todos os MOSFET discretos que você pode comprar têm seu volume / corpo / substrato conectado internamente à fonte. Por que é isso? Torna inconveniente o uso em certos tipos de circuito, por exemplo, na integração de um projeto básico de IC (para fins instrucionais) no qual todos os terminais da estrutura estão conectados ao VCC ou ao terra. Os MOSFETs discretos de 4 terminais não são tão úteis? Ou existe alguma maneira fácil de simulá-los com alguns MOSFETs de 3 terminais?

Embora os FETs em um chip monolítico sejam simétricos, muitos FETs discretos têm uma estrutura muito diferente que tenta maximizar a área de superfície utilizável, bem como a conectividade de fonte / dreno. A conexão de substrato a granel em um transistor ou chip possui excelente capacidade de manipulação de corrente e, se alguém estivesse projetando um chip NMOS LSI no qual todos os transistores precisavam ter sua fonte ou dreno ligada a um ponto comum, o desempenho provavelmente seria otimizado por ter o substrato serve como fonte ou dreno para todos os transistores. A maioria dos chips, no entanto, usa a conexão em massa como base comum, desperdiçando suas habilidades de manipulação de corrente, mas permitindo que as conexões de fonte e dreno de cada transistor sejam independentes.

Um MOSFET "discreto" típico não será de fato um transistor, mas dezenas ou centenas de transistores em paralelo. Como todos os transistores devem ter seus drenos ligados, o uso do substrato como dreno não causará os mesmos problemas de design que causaria em um chip LSI. Como o substrato pode ser muito bem conectado solidamente a um terminal externo, esse projeto aprimora a condutividade do dreno e também elimina a necessidade de usar metal na parte superior da conexão, permitindo assim o uso de mais metal para conectar as fontes . Infelizmente, se os transistores estiverem dispostos de modo que todas as suas fontes formem uma "malha" (boa para conectividade), isso deixará suas bases como ilhas isoladas. Embora seja possível executar faixas de metal para conectar todas as bases, fazer isso exigiria subdividir o metal conectado à fonte em várias tiras (desempenho degradante) ou adicionar uma camada extra de metal e uma camada isolante extra (aumentando significativamente o custo). Como cada seção de base tem a camada de metal para a conexão de origem diretamente acima dela, é muito mais fácil simplesmente ter as bases e as fontes conectadas a ela.

Isso ocorre porque, se você opera um MOSFET como normalmente é feito (polarização reversa do diodo do corpo), não há diferença se o Bulk estiver conectado à Fonte ou a uma tensão ainda mais negativa (canal N), respectivamente, mais positiva ( Canal P) que a fonte.

Se você deseja construir suas próprias portas lógicas, portas de transmissão, etc. com MOSFETS de canal N e P simples, o CMOS-IC 4007 é provavelmente o que você está procurando, embora nem todos os 6 MOSFETs incluídos possam ser conectados completamente aleatoriamente (um par de canais P / N é configurado como inversor, um par é parcialmente conectado a V + e GND; apenas um par é completamente livre).

Aqui estão alguns exemplos .

"Os MOSFETs discretos de 4 terminais não são tão úteis?"

Alguns usos potenciais incluem conversão no nível lógico e proteção de IC. O quarto pino altera o efeito do diodo corporal intrínseco de um que diminui a saída para a entrada (ou vice-versa) tornando o circuito assimétrico, para um diodo que é polarizado para sinais de tensão positivos. Se você olhar a folha de dados de um Phillips GTL2000, verá que o quarto terminal dentro do IC está simbolicamente ligado ao terra, como na construção física. Se você deseja duplicar isso com dispositivos discretos, é necessário que o quarto terminal seja separado. Isso permite que você faça o mesmo tipo de conversão e proteção sem a tensão máxima absoluta altamente restritiva, além de alterar outros parâmetros, como corrente máxima, RDS ativado, etc. desse dispositivo. O GTL2000 possui 23 FETs (22 para dados, um para um truque inteligente de polarização) conectado às fontes e drenos, cada um trazido para pinos separados, as conexões do corpo todas trazidas para o mesmo pino (terra) e todas as conexões do portão ligadas entre si e trazidas para um único pino que será amarrado à tensão que produz a tensão de aperto desejada. Outros ICs usados ​​da mesma forma têm especificações limitadas da mesma forma, exceto uma da máxima que permite tensões mais altas, mas possui dois ajustes em série (com RDSon mais alto para tensão positiva e negativa) e requer uma tensão de polarização negativa ou o limite inferior de fixação impedirá um nível lógico 0. Como resultado, se você deseja um grampo de nível lógico bidirecional e um protetor de entrada que proteja um dispositivo de conexões acidentais a 13,8 V, precisará rolar o seu próprio. Alguém já mencionou o aplicativo de comutação analógica mosfet, que poderia ser expandido para cobrir uma variedade de aplicativos distintos. E, em alguns casos, pinos de fonte separados e abas do corpo podem permitir que os transistores flutuantes e laterais altos sejam submersos no plano de aterramento da placa de circuito impresso sem que um isolador e os dispositivos de montagem em superfície possam ser soldados ao plano de aterramento. Mas isso pode não fornecer os benefícios desejados devido a resistências internas mais altas.

Dado que a maioria dos engenheiros provavelmente nunca segurou um dispositivo de 4 terminais em suas mãos, existem muitas aplicações inteligentes que podem não ter sido limitadas pelo suprimento.

É provável que os fabricantes não desejem usar um pacote mais caro (4 pinos vs 3) para um modo operacional com desempenho reduzido (efeito de porta traseira) que poucas pessoas usarão.

Eu questiono até a validade de se preocupar com esse detalhe quando qualquer transistor discreto é tão distante no desempenho de um transistor em chip, a ponto de tornar irrelevantes as comparações de desempenho. Apenas chame mais uma coisa para adicionar à lista de diferenças e use-a como uma experiência de aprendizado.

não há diferença se o Bulk estiver conectado à fonte ou a uma tensão ... "absolutamente não é verdade. Existe o efeito backgate no qual o volume modula o canal pela parte traseira. É a razão pela qual o NMOS em um O substrato P usado em um seguidor de emissor sempre oferece um ganho de 0,8 em vez de 1,0 #: placeholder Nov 4 '14 às 15:33

@ placeholder: Ok, digamos que na maioria das aplicações não há diferença ... (como eu disse "normalmente"). # 1 de Requeijão às 15:42

@placeholder: Eu acho que você quer dizer seguidor de fonte (em vez de seguidor de emissor) #: 502 coalhada

Sim, fonte não emissora ... E em todos os casos ela se manifesta e é perceptível. Tão normal é quando o efeito do corpo está presente. Somente transistores FD-SOI não têm esse efeito (mas eles têm outros problemas) #: 4184 placeholder

... mas nem sempre é importante; como nos exemplos que vinculei e para os propósitos, posso assumir que o OP o utilizará. - Coalhada 4/11/14 às 15:57

Vocês estão sentindo falta disso. Claro que há uma diferença de desempenho devido ao efeito do corpo. Mas funcionalmente falando, o substrato deve ser a tensão mais negativa no circuito para NMOS e a tensão mais positiva no circuito para PMOS. Caso contrário, a junção PN entre a fonte e o substrato ou a tensão de drenagem para substrato pode se tornar junção PN com polarização direta e você não terá mais um FET em funcionamento.

E se você amarra o corpo à fonte e deseja usar o NFET para uma chave de amostragem, e se a tensão do dreno for menor que a tensão da fonte? OOPS? Quando o corpo está conectado à fonte, você não pode permitir que a tensão de drenagem caia abaixo da tensão da fonte. Ou seu adeus FET e olá diodo.