Por que um MOSFET é acionado por Vgs e não por Vgd?

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Observando atentamente este diagrama de um tipo de MOSFET:

insira a descrição da imagem aqui

(encontrado nesta nota de aplicação )

Podemos ver que o dispositivo é praticamente simétrico. O que faz o portão se referir à fonte e não ao dreno?

Além disso, por que o óxido do portão se decompõe em 20V Vgs e não em 20V Vgd?

(Não é uma pergunta de lição de casa. Apenas curiosidade.)

transistors mosfet Thomas O
fonte
11
Eu sei que a maioria dos JFETs é realmente simétrica na maneira como você descreve, e realmente não importa qual extremidade é usada como fonte e qual é o dreno. Não sou positivo se o mesmo se aplica aos MOSFETS laterais, no entanto. MOSFETs verticais contêm um diodo do corpo parasita e não funcionará corretamente quando conectado "para trás".
Bitrex
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@Bitrex True, um MOS de energia não funcionará normalmente ao contrário. Porém, se você puder fazer um curto-circuito no diodo, se o canal da fonte de drenagem tiver uma resistência suficientemente baixa e o canal estiver conduzindo corrente, não o diodo. Isso é usado em retificadores de ponte ativos e em outros dispositivos que requerem retificação controlada. Mas você está limitado a cerca de 0,5V para trás antes que as coisas dêem errado;).
Thomas O
Se você estiver usando um MOSFET como parte de um retificador síncrono, poderá colocar um diodo Schottky em paralelo com o diodo do corpo do MOSFET para proteger o MOSFET. O diodo do corpo geralmente é bastante fraco.
Mike DeSimone

Respostas:

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Como a Figura 1 que você postou se refere a um dispositivo de 4 terminais , não a um de 3 terminais. Se você observar o símbolo esquemático na Figura 1, notará que o terminal da carroceria é um terminal separado, não conectado ao terminal de origem. Os MOSFETs à venda são quase sempre dispositivos de 3 terminais em que a fonte e o corpo estão conectados.

Se a memória me servir corretamente (não 100% de certeza - parece ser corroborada por este folheto ), em um dispositivo de 4 terminais não há diferença entre fonte e dreno, e é a tensão do corpo da porta que determina o estado em funcionamento do canal - com a ressalva de que o corpo deve ser a tensão mais negativa no circuito para um dispositivo de canal N ou a tensão mais positiva no circuito para um dispositivo de canal P.

( edit: encontrou uma referência para a física do dispositivo MOSFET . O comportamento de dreno de fonte ainda é simétrico, mas depende das tensões de fonte e de dreno de porta. No canal N, se ambos são negativos, o canal não é condutor. é maior que a tensão limite, então você obtém um comportamento de saturação (corrente constante). Se ambos são maiores que a tensão limite, você obtém um comportamento triodo (resistência constante) .O corpo / volume / substrato ainda precisa ser o mais negativo tensão no circuito, para obter o comportamento invertido em um circuito, o corpo + o dreno precisariam estar ligados.

Em um dispositivo de canal P, essa polaridade é invertida.)

Observe atentamente os símbolos esquemáticos convencionais dos MOSFETs dos canais N e P ( da Wikipedia ):

canal n canal p

e a figura da Wikipedia sobre o funcionamento do MOSFET , e você verá a conexão corpo-fonte.

Jason S
fonte
Mesmo no terminal 4, a tensão da fonte do portão determina o estado do canal. Portanto, o que você escreveu sobre o corpo do portão não é verdade. A tensão do corpo da fonte modula a tensão limite do dispositivo. Por exemplo, para NMOS se Vs estiver acima de Vb, será necessário um Vgs maior para ativar o dispositivo (o efeito do corpo).
mazurnification
@mazurnification: onde está sua referência para isso? e por que é fonte do portão em vez de dreno ou corpo do portão? Tentei encontrar material de referência de qualquer maneira e não consegui.
Jason S
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Acabei de encontrar esta referência: doe.carleton.ca/~tjs/21-mosfetop.pdf, que indica os campos dos canais com base em Vgb, não em Vgs (até Vsb = 0, quando Vgs = Vgb). Portanto, não vou mudar minha resposta até que eu veja evidências de que há algo especial no terminal de origem. Eu não ficaria surpreso se o efeito do corpo da modulação da tensão limiar só for verdadeiro se a conexão corpo-fonte for uma tensão fixa de baixa impedância e se for equivalente às equações que governam Vgb.
Jason S
OK, encontrou algo que se refere às tensões fonte-porta e dreno-porta.
Jason S
A chave é Vgb. O objetivo de um MOSFET é que o campo elétrico criado entre o portão e o substrato desequilibre a distribuição dos portadores de carga, alterando a impedância do canal entre a fonte e o dreno. No entanto, como a origem e o substrato geralmente estão conectados (consulte o símbolo esquemático), Vgs é o mesmo que Vgb. Se você não deseja que o canal seja o mesmo que o substrato, é necessário criar uma estrutura de poço, que se parece com um diodo com polaridade inversa de canal para substrato. Lembre-se de que você pode criar estruturas nos CIs que são inviáveis ​​em partes discretas.
Mike DeSimone
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A seção transversal simétrica, como geralmente é desenhada, não concorda com a estrutura real, que é altamente assimétrica. Na verdade, parece mais com isso:

insira a descrição da imagem aqui

EuDVGD

stevenvh
fonte
Tem certeza de que este não é apenas um MOS vertical? Um MOS lateral é diferente?
Thomas O
@ Thomas - um V-MOSFET parece diferente: allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/10.html . De qualquer forma, eles são muito assimétricos; portanto, mesmo que a imagem pareça diferente, a explicação ainda permanece.
stevenvh
Essa estrutura é freqüentemente usada para MOSFETs discretos. A estrutura simétrica é geralmente usada para MOSFETs em circuitos integrados, pois nem todos podem compartilhar um dreno.
21811 Mike DeSimone
sim MOSFET do circuito integrado provavelmente será totalmente simétrica
mazurnification
@ MikeDeSimone, @mazurnification - Ficará diferente para os CIs, mas ainda não tenho certeza de que serão simétricos.
Stevenvh
3

A operação de determinado MOSFET é determinada por tensões em seus respectivos eletrodos (Dreno, Fonte, Porta, Corpo).

Por convenção de livros didáticos na NMOS, dentre dois eletrodos "conectados ao canal" (entre os quais, em circunstâncias "normais", a corrente flui), aquele conectado ao menor potencial é chamado de fonte e o conectado ao maior é o dreno. O oposto é verdadeiro para o PMOS (fonte de maior potencial, menor consumo de potencial).

Em seguida, usando esta convenção, são apresentadas todas as equações ou textos que descrevem a operação do dispositivo. Isso implica que sempre que o autor do texto sobre NMOS disser algo sobre a (s) fonte (s) de transistor, ele pensa em um eletrodo conectado a um potencial menor.

Agora os fabricantes de dispositivos provavelmente escolherão chamar os pinos de fonte / dreno em seus dispositivos com base na configuração pretendida na qual o MOSFET será \ colocado no circuito final. Por exemplo, no pino NMOS geralmente conectado a um potencial menor será chamado de fonte.

Portanto, isso deixa dois casos:

A) O dispositivo MOS é simétrico - esse é o caso da grande maioria das tecnologias nas quais o VLSI IC é fabricado.

B) O dispositivo MOS é assimétrico (exemplo vmos) - este é o caso de alguns (a maioria?) Dispositivos de energia discretos

No caso de A) - não importa qual lado do transistor está conectado ao potencial mais alto / mais baixo. O dispositivo executará exatamente o mesmo nos dois casos (e qual eletrodo chamar a fonte e qual dreno é apenas uma convenção).

No caso de B) - importa (obviamente) qual lado do dispositivo está conectado a qual potencial, uma vez que o dispositivo está otimizado para funcionar em determinada configuração. Isso significa que as "equações" que descrevem a operação do dispositivo serão diferentes caso o pino chamado "fonte" esteja conectado a uma tensão mais baixa do que o caso em que ele está conectado a uma tensão mais alta.

No seu exemplo, o dispositivo foi provavelmente projetado para ser assimétrico, a fim de otimizar determinados parâmetros. A tensão de frenagem "gate-source" foi reduzida como compensação, a fim de obter melhor controle sobre a corrente do canal quando a tensão de controle é aplicada entre os pinos chamados gate e fonte.

Edit: Como existem alguns comentários sobre a simetria do mos, aqui vai a citação de Behzad Razavi "Design dos citcuits integrados analógicos do CMOS" p.12

citar

mazurnificação
fonte
Não tenho certeza de como as tecnologias de simulação mudaram ao longo dos anos, mas, pelo que entendi, há dez anos, muitos simuladores queriam essencialmente os nós de origem e dreno rotulados para identificar qual nó deveria ser visto como afetando o outro. Essencialmente, o rótulo "fonte" significava "causa" e "dreno" significa "efeito", e o circuito deve ser disposto de modo que, se o efeito / dreno de um NFET tiver um caminho para o solo, a fonte / causa deve ter um caminho para o VSS ou ser um "não se importa" (da mesma forma para PFETs e VDD). Se um circuito puder ser configurado para atender a esse critério, então ... #
687
... o simulador pode, para cada fase do relógio, organizar todos os nós em uma sequência, de modo que cada nó precise ser avaliado apenas uma vez, e nenhum nó será afetado por um nó "downstream" (até a próxima fase do relógio, que terá os nós em um arranjo diferente). Certos circuitos usando portas de passagem exigiriam etiquetas de fonte e dreno reversas para ajudar o simulador, mas, em geral, as restrições de causalidade tornariam prático simular circuitos mais rapidamente do que seria possível.
Supercat
@ supercat - existem poucos "níveis" de simuladores. Começando do físico (tcad, por exemplo), onde se simula os campos elétricos e magnéticos, em seguida elétricos (todos os do SPICE) para o funcional (verilog, vhdl, verilogA etc.). Todos eles já estavam muito avançados há 10 anos. O que você mencionou parece um "simulador orientado a eventos" funcional (como o verilog one), mas eu não vi essa técnica aplicada aos transistores reais (bem, talvez no chamado "tempero rápido"). O ponto é que elétrica (especiarias) pode lidar com simetria do MOSFET facilmente ...
mazurnification
Certamente é possível simular circuitos onde causas e efeitos não formam um gráfico acíclico direcionado, e os aumentos na potência dos computadores durante os últimos dez anos tornaram a simulação completa prática para projetos maiores do que seria possível há dez anos. Não ficaria surpreso, no entanto, se os circuitos que podem ser mapeados por causa-efeito fossem suscetíveis a uma simulação mais rápida do que aqueles que não podem, ou se informando a um simulador que um determinado transistor só deveria ser chamado para passar corrente em uma direção pode ajudar a capturar erros ... #
307
... onde acaba passando corrente pelo outro lado. Obviamente, com lógica estática, esses problemas geralmente causam um VDD-VSS curto, mas na lógica dinâmica podem causar problemas sem um VDD-VSS curto. Não tenho certeza de quanta lógica dinâmica ainda é usada fora das DRAMs (não é?). Meu ponto principal era que rotular a fonte e o dreno como um hábito teria beneficiado pelo menos alguns simuladores.
Supercat
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Um MOSFET requer duas coisas para que a corrente flua: portadores de carga no canal e um gradiente de tensão entre a fonte e o dreno. Portanto, temos um espaço de comportamento tridimensional para observar. A característica da fonte de drenagem é mais ou menos assim: insira a descrição da imagem aqui

Vamos supor que temos um transistor nmos, e o volume e a fonte estão em 0V. Vamos também definir a tensão de drenagem alta, digamos 5V. Se varrermos a tensão do portão, obteremos algo parecido com isto:

massa

Para que haja quantidades substanciais de portadores de carga no canal, precisamos de uma região de exaustão conectando a fonte e o dreno, e também precisamos puxar um monte de portadores para fora da fonte. Se a fonte e o portão tiverem a mesma voltagem, isso significa que a maior parte do canal também é essencialmente a mesma voltagem que a fonte, e os portadores precisam se difundir a maior parte do caminho através do transistor antes que possam "cair" no dreno. Se a tensão da porta-fonte for alta o suficiente, o gradiente de tensão será mais significativo perto da fonte e as transportadoras serão puxadas para dentro do canal, permitindo uma população maior.

Aphaea
fonte
Isso explica a teoria da operação do MOSFET, mas não diz nada sobre a possível simetria e não responde à pergunta de Thomas se a fonte e o dreno são intercambiáveis.
Stevenvh
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Meus 2 centavos valem: Comparando com os bipolares, eu sei que você pode trocar C e E e ele ainda está funcionando, mas com hFE mais baixo e classificações de tensão diferentes: o VBE pode atingir no máximo 5 a 7V normalmente; VCB igual ao VCE ou mais (por exemplo, folha de dados BC556 da Fairchild, que especifica o VCBO, que é ainda maior que o VCEO). Fisicamente, há uma (grande) diferença entre C e E (tamanho, forma e / ou dopagem), o que explica a assimetria nas figuras. E eu já vi isso no laboratório também. Acontece de vez em quando que alguém troca C e E por acidente e fica surpreso que ainda funcione, mas não muito bem.

Seria interessante se alguém obtivesse um gráfico de ID (e RDSon) vs VGD para um (MOSFET de canal N de potência. Não há acesso ao laboratório atualmente.

David S
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