Warum sind diskrete MOSFETs mit vier Anschlüssen so schwer zu finden?

Ich weiß, dass ein MOSFET ein Gerät mit vier Anschlüssen ist, aber bei fast jedem diskreten MOSFET, den Sie kaufen können, sind Bulk / Body / Substrat intern mit der Quelle verbunden. Warum ist das? Die Verwendung in bestimmten Schaltungstypen ist unpraktisch, z. B. beim Stecken in die Steckdose eines grundlegenden IC-Entwurfs (zu Anleitungszwecken), bei dem alle Gehäuseanschlüsse entweder mit VCC oder mit Masse verbunden sind. Sind diskrete 4-polige MOSFETs einfach nicht so nützlich? Oder gibt es eine einfache Möglichkeit, sie mit einigen 3-poligen MOSFETs zu simulieren?

Obwohl die FETs auf einem monolithischen Chip symmetrisch sind, weisen viele diskrete FETs eine sehr unterschiedliche Struktur auf, die versucht, die nutzbare Oberfläche sowie die Source / Drain-Konnektivität zu maximieren. Die Massensubstratverbindung auf einem Transistor oder Chip weist eine hervorragende Stromhandhabungsfähigkeit auf, und wenn man einen NMOS-LSI-Chip entwerfen würde, bei dem die Source oder Drain jedes einzelnen Transistors an einen gemeinsamen Punkt gebunden sein müsste, würde die Leistung wahrscheinlich dadurch optimiert Das Substrat dient als Source oder Drain für alle Transistoren. Die meisten Chips verwenden jedoch die Bulk-Verbindung als gemeinsame Basis, wodurch ihre Stromhandhabungsfähigkeiten verschwendet werden, aber die Source- und Drain-Verbindungen jedes Transistors unabhängig sein können.

Ein typischer "diskreter" MOSFET ist in der Tat nicht ein Transistor, sondern Dutzende oder Hunderte von Transistoren parallel. Da die Drains aller Transistoren zusammengebunden sein sollen, verursacht die Verwendung des Substrats als Drain nicht die gleichen Designprobleme wie in einem LSI-Chip. Da das Substrat sehr gut fest mit einem Außenanschluss verbunden werden kann, verbessert eine solche Konstruktion sowohl die Drainleitfähigkeit als auch die Notwendigkeit, oberes Metall für den Drainanschluss zu verwenden, wodurch die Verwendung von mehr Metall zum Verbinden der Sources ermöglicht wird . Wenn die Transistoren so angeordnet sind, dass alle ihre Sources ein "Mesh" bilden (gut für die Konnektivität), verbleiben ihre Basen leider als isolierte Inseln. Während es möglich wäre, Metallschienen zu verwenden, um alle Basen miteinander zu verbinden, Dazu müsste entweder das quellverbundene Metall in viele Streifen unterteilt werden (Leistungsabfall) oder eine zusätzliche Metallschicht und eine zusätzliche Isolierschicht hinzugefügt werden (was die Kosten erheblich erhöht). Da sich in jedem Basisabschnitt die Metallschicht für den Quellenanschluss direkt darüber befindet, ist es viel einfacher, sowohl die Basis als auch die Quellen damit zu verbinden.

"Sind diskrete 4-polige MOSFETs einfach nicht so nützlich?"

Einige mögliche Anwendungen umfassen die Übersetzung auf Logikebene und den IC-Schutz. Der vierte Pin ändert die Wirkung der Body-Diode von einer, die den Ausgang mit dem Eingang kurzschließt (oder umgekehrt), wodurch die Schaltung asymmetrisch wird, zu einer Diode, die für positive Spannungssignale abgeschaltet wird. Wenn Sie sich das Datenblatt für einen Phillips GTL2000 ansehen, finden Sie, dass der vierte Anschluss im IC symbolisch mit Masse verbunden ist, wie es in der physischen Konstruktion der Fall ist. Wenn Sie dies mit diskreten Geräten duplizieren möchten, muss das vierte Terminal separat sein. Auf diese Weise können Sie die gleiche Art der Übersetzung und des Schutzes ausführen, ohne dass die absolute Maximalspannung stark eingeschränkt wird, und andere Parameter wie Maximalstrom, RDS an usw. dieses Geräts ändern. Der GTL2000 verfügt über 23 FETs (22 für Daten, eine für einen cleveren Vorspannungstrick), verbunden mit den Sources und Drains, die jeweils zu separaten Pins herausgeführt werden, die Body-Anschlüsse alle auf demselben Pin (Masse) herausgeführt werden und alle Gate-Anschlüsse zusammengebunden und zu einem einzigen Pin herausgeführt werden, der wird an die Spannung gebunden, die die gewünschte Klemmspannung erzeugt. Andere ICs, die auf ähnliche Weise verwendet werden, haben ähnlich eingeschränkte Spezifikationen, mit Ausnahme einer von Maxim, die höhere Spannungen zulässt, jedoch zwei in Reihe geschaltete Fets aufweist (mit höherem RDSon für positive und negative Spannung) und eine negative Vorspannung erfordert, oder die untere Klemmgrenze schließt einen Logikpegel aus 0. Wenn Sie also eine bidirektionale Logikpegelklemme und einen Eingangsschutz benötigen, die ein Gerät vor versehentlichen Anschlüssen an 13,8 V schützen, müssen Sie Ihre eigenen rollen. Jemand hat bereits die mosfet Analogschalteranwendung erwähnt, die erweitert werden könnte, um eine Vielzahl von diskreten Anwendungen abzudecken. In einigen Fällen können separate Source-Pins und Gehäuselaschen die Wärmeableitung von High-Side- und Floating-Transistoren zur PCB-Masseebene ermöglichen, ohne dass ein Isolator und oberflächenmontierte Geräte an die Masseebene gelötet werden könnten. Dies führt jedoch möglicherweise nicht zu den gewünschten Vorteilen, da höhere Innenwiderstände vorliegen.

Da die meisten Ingenieure wahrscheinlich noch nie ein 4-Terminal-Gerät in der Hand gehalten haben, gibt es viele clevere Anwendungen, die möglicherweise nicht durch die Lieferung eingeschränkt wurden.

Dies liegt daran, dass es beim normalen Betrieb eines MOSFET (Body Diode Reverse Biased) keinen Unterschied gibt, ob der Bulk an die Source angeschlossen ist oder an eine Spannung, die noch negativer (N-Kanal) bzw. positiver ist ( P-Kanal) als die Quelle.

Wenn Sie Ihre eigenen Logikgatter, Übertragungsgatter usw. mit einzelnen N- und P-Kanal-MOSFETs bauen möchten, ist der CMOS-IC 4007 wahrscheinlich das, wonach Sie suchen, obwohl nicht alle der 6 enthaltenen MOSFETs vollständig zufällig angeschlossen werden können (Ein P- / N-Kanalpaar ist als Inverter konfiguriert, ein Paar ist teilweise an V + und GND angeschlossen; nur ein Paar ist vollständig frei).

Hier sind Beispiele .

Es ist wahrscheinlich, dass die Hersteller kein teureres Gehäuse (4-polig gegenüber 3-polig) für einen Betriebsmodus mit verringerter Leistung (Back-Gate-Effekt) verwenden möchten, den nur sehr wenige Benutzer verwenden werden.

Ich stelle sogar die Berechtigung in Frage, sich über dieses Detail Gedanken zu machen, wenn ein diskreter Transistor in seiner Leistung so weit von einem On-Chip-Transistor entfernt ist, dass Leistungsvergleiche fragwürdig werden. Nennen Sie es einfach noch eine Sache, um die Liste der Unterschiede zu erweitern und es als Lernerfahrung zu nutzen.

Es gibt keinen Unterschied, ob der Bulk an die Quelle oder an eine Spannung angeschlossen ist ... "ist absolut nicht wahr. Es gibt den Backgate-Effekt, bei dem der Bulk den Kanal von der Rückseite moduliert. Dies ist der Grund, warum NMOS in a P-Substrate, die in einem Emitterfolger verwendet werden, ergeben immer einen Gewinn von 0,8 statt 1,0 - Platzhalter 4. November 14 um 15:33

@placeholder: Ok, sagen wir mal in den meisten Anwendungen gibt es keinen Unterschied ... (wie gesagt "normal"). - Curd 4. November 14 um 15:42 Uhr

@placeholder: Ich denke, du meinst Source Follower (anstatt Emitter Follower) - Curd 4. November 14 um 15:45 Uhr

Ja, Quelle nicht Emitter ... Und in allen Fällen manifestiert es sich und ist spürbar. So normal ist es, wenn der Körpereffekt vorliegt. Nur FD-SOI-Transistoren haben diesen Effekt nicht (aber sie haben andere Probleme) - Platzhalter 4. November 14 um 15:49 Uhr

... aber nicht in allen Fällen kommt es darauf an; Wie in den Beispielen, die ich verlinkt habe, und für die Zwecke kann ich davon ausgehen, dass das OP es verwenden wird. - Curd 4. November 14 um 15:57 Uhr

Ihr vermisst es. Sicher gibt es einen Leistungsunterschied aufgrund von Körpereffekten. Funktionell sollte das Substrat jedoch die negativste Spannung in der Schaltung für NMOS und die positivste Spannung in der Schaltung für PMOS sein. Andernfalls kann der PN-Übergang zwischen Source zu Substrat oder Drain zu Substratspannung vorwärts vorgespannt werden und Sie haben keinen funktionierenden FET mehr.

Und wenn Sie den Körper an die Source binden und den NFET beispielsweise für einen Sampling-Schalter verwenden möchten, und wenn die Drain-Spannung niedriger als die Source-Spannung ist? HOPPLA? Wenn der Körper an die Source angeschlossen ist, darf die Drain-Spannung nicht unter die Source-Spannung fallen. Oder es ist Tschüss FET und Hallo Diode.