Warum wird ein MOSFET von Vgs und nicht von Vgd angesteuert?

Schauen Sie sich dieses Diagramm eines MOSFET-Typs genau an:

(in diesem Application Note gefunden )

Wir können sehen, dass das Gerät praktisch symmetrisch ist. Was bringt das Gate dazu, sich auf die Source und nicht auf den Drain zu beziehen?

Auch warum würde das Gateoxid bei 20 V Vgs und nicht bei 20 V Vgd zusammenbrechen?

(Keine Hausaufgabe. Nur Neugier.)

Da sich die von Ihnen veröffentlichte Abbildung 1 auf ein 4-Terminal- Gerät bezieht , nicht auf ein 3-Terminal - Gerät. Wenn Sie sich das Schaltplansymbol in Abbildung 1 ansehen, werden Sie feststellen, dass der Body-Anschluss ein separater Anschluss ist, der nicht mit dem Source-Anschluss verbunden ist. Zum Verkauf stehende MOSFETs sind fast immer Geräte mit drei Anschlüssen, bei denen Quelle und Gehäuse miteinander verbunden sind.

Wenn der Speicher mir Recht gibt (nicht 100% sicher - scheint durch dieses Handout bestätigt zu werden ), gibt es bei einem Gerät mit 4 Anschlüssen keinen Unterschied zwischen Source und Drain, und es ist die Gate-Body-Spannung, die den Ein-Zustand bestimmt des Kanals - mit der Einschränkung, dass der Körper die negativste Spannung im Stromkreis für ein N-Kanal-Gerät oder die positivste Spannung im Stromkreis für ein P-Kanal-Gerät sein soll.

( edit: fand eine Referenz für die Physik von MOSFET-Bauelementen . Das Source-Drain-Verhalten ist immer noch symmetrisch, hängt jedoch sowohl von der Gate-Source- als auch von der Gate-Drain-Spannung ab. Wenn beide im N-Kanal negativ sind, ist der Kanal nicht leitend. Wenn einer ist größer als die Schwellenspannung, dann erhalten Sie ein Sättigungsverhalten (Konstantstrom). Wenn beide größer als die Schwellenspannung sind, erhalten Sie ein Triodenverhalten (Konstantwiderstand). Der Körper / das Volumen / das Substrat muss immer noch am negativsten sein Spannung im Stromkreis, um das umgekehrte Verhalten in einem Stromkreis zu erhalten, müssten Körper + Drain zusammengebunden werden.

In einem P-Kanal-Gerät ist diese Polarität umgekehrt.)

Sehen Sie sich die herkömmlichen Schaltplansymbole für N- und P-Kanal-MOSFETs ( aus Wikipedia ) genau an :

und die Wikipedia-Abbildung zur Funktionsweise von MOSFET , und Sie werden die Body-Source-Verbindung sehen.

Der symmetrische Querschnitt, wie er normalerweise gezeichnet wird, stimmt nicht ganz mit der tatsächlichen Struktur überein, die stark asymmetrisch ist. Eigentlich sieht es so aus:

$I_D$$V_{GD}$

Der Betrieb eines bestimmten MOSFET wird durch die Spannungen an den jeweiligen Elektroden (Drain, Source, Gate, Body) bestimmt.

Gemäß der Lehrbuchkonvention in NMOS werden zwei Elektroden "mit dem Kanal verbunden" (zwischen denen unter "normalen" Umständen Strom fließt) als Source-Elektrode und als Drain-Elektrode als Drain-Elektrode bezeichnet. Das Gegenteil gilt für PMOS (Source mit höherem Potential, Drain mit niedrigerem Potential).

Unter Verwendung dieser Konvention werden dann alle Gleichungen oder Texte präsentiert, die den Betrieb des Geräts beschreiben. Dies impliziert, dass immer, wenn der Autor des Textes über NMOS etwas über Transistorquelle (n) sagt, er über eine Elektrode nachdenkt, die mit einem niedrigeren Potential verbunden ist.

Nun werden sich die Gerätehersteller höchstwahrscheinlich dafür entscheiden, Source- / Drain-Pins in ihren Geräten basierend auf der beabsichtigten Konfiguration, in der der MOSFET in die endgültige Schaltung eingesetzt wird, zu nennen. Zum Beispiel wird in NMOS ein Pin, der normalerweise mit einem niedrigeren Potential verbunden ist, Source genannt.

Es bleiben also zwei Fälle:

A) Das MOS-Bauelement ist symmetrisch - dies ist ein Fall für die große Mehrheit der Technologien, in denen VLSI-ICs hergestellt werden.

B) MOS-Gerät ist asymmetrisch (vmos-Beispiel) - dies ist bei einigen (den meisten?) Diskreten Leistungsgeräten der Fall

Im Fall von A) spielt es keine Rolle, welche Seite des Transistors mit einem höheren / niedrigeren Potential verbunden ist. Das Gerät führt in beiden Fällen genau die gleiche Leistung aus (und es ist nur üblich, welche Elektrode als Quelle und welche als Drain zu bezeichnen ist).

Im Fall von B) spielt es (offensichtlich) eine Rolle, welche Seite des Geräts mit welchem ​​Potential verbunden ist, da das Gerät für die Arbeit in einer gegebenen Konfiguration optimiert ist. Dies bedeutet, dass "Gleichungen", die den Betrieb des Geräts beschreiben, sich unterscheiden, wenn der als "Quelle" bezeichnete Pin an eine niedrigere Spannung angeschlossen ist als in dem Fall, in dem er an eine höhere angeschlossen ist.

In Ihrem Beispiel wurde das Gerät höchstwahrscheinlich asymmetrisch konstruiert, um bestimmte Parameter zu optimieren. Die "Gate-Source" -Bremsspannung wurde als Ausgleich herabgesetzt, um eine bessere Kontrolle über den Kanalstrom zu erhalten, wenn eine Steuerspannung zwischen den als Gate und Source bezeichneten Pins angelegt wird.

Edit: Da es einige Kommentare bezüglich der Symmetrie des MOS gibt, wird hier ein Zitat von Behzad Razavi "Design der analogen integrierten CMOS-Kreise" S.12 zitiert

Ein MOSFET benötigt zwei Dinge, damit Strom fließt: Ladungsträger im Kanal und einen Spannungsgradienten zwischen Source und Drain. Wir müssen uns also einen dreidimensionalen Verhaltensraum ansehen. Die Drain-Source-Charakteristik sieht ungefähr so ​​aus:

Nehmen wir an, wir haben einen nmos-Transistor und Bulk und Source liegen bei 0V. Stellen wir auch die Drainspannung hoch ein, sagen wir 5V. Wenn wir die Gate-Spannung ändern, erhalten wir etwas, das so aussieht:

Damit sich im Kanal erhebliche Mengen an Ladungsträgern befinden, benötigen wir einen Verarmungsbereich, der Source und Drain verbindet, und wir müssen auch eine Reihe von Ladungsträgern aus der Source herausziehen. Wenn Source und Gate die gleiche Spannung haben, bedeutet dies, dass der größte Teil des Kanals im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die Source hat und die Ladungsträger den größten Teil des Weges über den Transistor diffundieren müssen, bevor sie in den Drain "fallen" können. Wenn die Gate-Source-Spannung hoch genug ist, ist der Spannungsgradient in der Nähe der Source signifikanter, und die Ladungsträger werden in den Kanal gezogen, wodurch eine höhere Population ermöglicht wird.

2 Cent wert: Im Vergleich zu Bipolaren kann man C und E tauschen und es funktioniert immer noch, aber mit niedrigerem hFE und unterschiedlichen Spannungswerten: VBE darf in der Regel maximal 5 bis 7 V betragen; VCB wie VCE oder höher (siehe z. B. BC556-Datenblatt von Fairchild, in dem VCBO angegeben ist, das sogar höher als VCEO ist). Physikalisch gibt es einen (großen) Unterschied zwischen C und E (Größe, Form und / oder Dotierung), der die Asymmetrie in den Figuren erklärt. Und das habe ich auch im Labor gesehen. Es kommt hin und wieder vor, dass jemand versehentlich C und E vertauscht und sich wundert, dass es immer noch funktioniert, aber nicht sehr gut.

Wäre interessant, wenn jemand ein Diagramm von ID (und RDSon) gegen VGD für einen (leistungsfähigen N-Kanal-MOSFET erhalten würde. Habe derzeit keinen Laborzugriff.