MOSFET: ¿Por qué el drenaje y la fuente son diferentes?

Mito: los fabricantes conspiran para poner diodos internos en componentes discretos para que solo los diseñadores de circuitos integrados puedan hacer cosas buenas con MOSFET de 4 terminales.

Verdad: los MOSFET de 4 terminales no son muy útiles.

Cualquier unión PN es un diodo (entre otras formas de hacer diodos). Un MOSFET tiene dos de ellos, justo aquí:

Ese gran trozo de silicio dopado con P es el cuerpo o el sustrato . Teniendo en cuenta estos diodos, se puede ver que es muy importante que el cuerpo siempre tenga un voltaje más bajo que la fuente o el drenaje. De lo contrario, polariza hacia adelante los diodos, y eso probablemente no sea lo que quería.

¡Pero espera, se pone peor! Un BJT es un sándwich de tres capas de materiales NPN, ¿verdad? Un MOSFET también contiene un BJT:

Si la corriente de drenaje es alta, entonces el voltaje a través del canal entre la fuente y el drenaje también puede ser alto, porque$R_{DS(on)}$es distinto de cero. Si es lo suficientemente alto como para polarizar hacia adelante el diodo de la fuente del cuerpo, ya no tiene un MOSFET: tiene un BJT. Eso tampoco es lo que querías.

En dispositivos CMOS, se pone aún peor. En CMOS, tiene estructuras PNPN, que forman un tiristor parásito. Esto es lo que causa el enganche .

Solución: acortar el cuerpo a la fuente. Esto pone en cortocircuito el emisor base del BJT parásito, manteniéndolo firmemente alejado. Idealmente, no haga esto a través de cables externos, porque entonces el "corto" también tendría una alta inductancia y resistencia parásitas, lo que haría que la "retención" del BJT parásito no fuera tan fuerte. En cambio, los acortas justo en el dado.

Esta es la razón por la que los MOSFET no son simétricos. Puede ser que algunos diseños sean simétricos, pero para hacer un MOSFET que se comporte de manera confiable como un MOSFET, debe acortar una de esas N regiones al cuerpo. Cualquiera que le haga eso, ahora es la fuente, y el diodo que no cortocircuitó es el "diodo del cuerpo".

En realidad, esto no es nada específico de los transistores discretos. Si tiene un MOSFET de 4 terminales, debe asegurarse de que el cuerpo esté siempre en el voltaje más bajo (o más alto, para dispositivos de canal P). En los circuitos integrados, el cuerpo es el sustrato de todo el circuito integrado y, por lo general, está conectado a tierra. Si el cuerpo tiene un voltaje más bajo que la fuente, entonces debe considerar el efecto del cuerpo . Si observa un circuito CMOS donde hay una fuente no conectada a tierra (como la puerta NAND a continuación), en realidad no importa, porque si B es alto, entonces el transistor más bajo está encendido y el arriba, en realidad tiene su fuente conectada a tierra. O B es bajo y la salida es alta y no hay corriente en los dos transistores inferiores.

Además de la respuesta de Phil, ocasionalmente verá una representación de un MOSFET que brinda más detalles de la asimetría.

^{De electronics-tutorials.wa}

El enlace asimétrico del sustrato (cuerpo) a las fuentes se muestra como una línea de puntos.

Desde el punto de vista de un dispositivo físico, son lo mismo. Sin embargo, cuando se producen FET discretos, hay un diodo interno formado por el sustrato que tiene su cátodo en el drenaje y el ánodo en la fuente, por lo que debe usar el terminal de drenaje marcado como drenaje y el terminal de fuente marcado como fuente.