¿Por qué los MOSFET discretos de cuatro terminales son tan difíciles de encontrar?

Sé que un MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales, pero casi todos los MOSFET discretos que puedes comprar tienen su volumen / cuerpo / sustrato conectado internamente a la fuente. ¿Por qué es esto? Resulta inconveniente su uso en ciertos tipos de circuitos, por ejemplo, cuando se utiliza un IC de diseño básico (para fines de instrucción) en el que todos los terminales del cuerpo están conectados a VCC o a tierra. ¿Los MOSFET discretos de 4 terminales simplemente no son tan útiles? ¿O hay alguna manera fácil de simularlos con unos MOSFET de 3 terminales?

Aunque los FET en un chip monolítico son simétricos, muchos FET discretos tienen una estructura muy diferente que intenta maximizar el área de superficie utilizable, así como la conectividad de fuente / drenaje. La conexión de sustrato a granel en un transistor o chip tiene una excelente capacidad de manejo de corriente, y si uno estuviera diseñando un chip NMOS LSI en el que cada transistor necesitara tener su fuente o drenaje conectado a un punto común, el rendimiento probablemente se optimizaría al tener El sustrato sirve como fuente o drenaje para todos los transistores. Sin embargo, la mayoría de los chips usan la conexión masiva como una base común, desperdiciando sus habilidades de manejo de corriente, pero permitiendo que las conexiones de fuente y drenaje de cada transistor sean independientes.

De hecho, un MOSFET "discreto" típico no será un solo transistor, sino docenas o cientos de transistores en paralelo. Debido a que se supone que todos los transistores tienen sus drenajes unidos, usar el sustrato como drenaje no causará los mismos problemas de diseño que lo haría en un chip LSI. Dado que el sustrato se puede conectar muy bien de manera sólida a un terminal externo, dicho diseño mejorará la conductividad del drenaje y también eliminará la necesidad de usar metal en el lado superior para la conexión del drenaje, permitiendo así el uso de más metal para conectar las fuentes . Desafortunadamente, si los transistores están dispuestos de manera que todas sus fuentes formen una "malla" (buena para la conectividad), eso dejará sus bases como islas aisladas. Si bien sería posible ejecutar pistas de metal para conectar todas las bases juntas, hacerlo requeriría subdividir el metal conectado a la fuente en muchas tiras (degradando el rendimiento) o agregando una capa de metal adicional y una capa aislante adicional (aumentando significativamente el costo). Dado que cada sección de la base tiene la capa metálica para la conexión de la fuente que se encuentra directamente encima de ella, es mucho más fácil simplemente tener las bases y las fuentes conectadas a eso.

Esto es así porque si opera un MOSFET como se hace normalmente (polarización inversa del diodo del cuerpo) no hay diferencia si el Bulk está conectado a la Fuente o a un voltaje que es aún más negativo (canal N) respetuosamente más positivo ( Canal P) que la fuente.

Si desea construir sus propias compuertas lógicas, compuertas de transmisión, etc. con MOSFETS de un solo canal N y P, el CMOS-IC 4007 es probablemente lo que está buscando, aunque no todos los 6 MOSFET incluidos se pueden conectar completamente al azar (un par de canales P / N está configurado como inversor, un par está parcialmente conectado a V + y GND; solo un par está completamente libre).

Aquí hay ejemplos .

"¿Los MOSFET discretos de 4 terminales simplemente no son tan útiles?"

Algunos usos potenciales incluyen traducción de nivel lógico y protección IC. El cuarto pin cambia el efecto del diodo del cuerpo intrínseco de uno que acorta la salida a la entrada (o viceversa) haciendo que el circuito sea asimétrico, a un diodo que está polarizado para señales de voltaje positivo. Si observa la hoja de datos de un Phillips GTL2000, encontrará que el cuarto terminal dentro del IC está simbólicamente conectado a tierra como lo está en la construcción física. Si desea duplicar eso con dispositivos discretos, necesita que el cuarto terminal esté separado. Esto le permite hacer el mismo tipo de traducción y protección sin el voltaje máximo absoluto altamente restrictivo, así como cambiar otros parámetros como la corriente máxima, RDS activado, etc. de ese dispositivo. El GTL2000 tiene 23 FET (22 para datos, uno para un ingenioso truco de polarización) conectado con las fuentes y drenajes, cada uno sacado a pines separados, todas las conexiones del cuerpo sacadas en el mismo pin (tierra), y todas las conexiones de la puerta unidas y llevadas a un solo pin que estará vinculado al voltaje que produce el voltaje de sujeción deseado. Otros circuitos integrados que se usan de manera similar tienen especificaciones limitadas de manera similar, excepto uno de máxima que permite voltajes más altos pero tiene dos pies en serie (con RDSon más alto para voltaje positivo y negativo) y requiere un voltaje de polarización negativo o el límite de sujeción inferior impedirá un nivel lógico 0. Como resultado, si desea una pinza de nivel lógico bidireccional y un protector de entrada que proteja un dispositivo de conexiones accidentales a 13.8V, necesita rodar el suyo. Alguien ya ha mencionado la aplicación del interruptor analógico mosfet, que podría ampliarse para cubrir una variedad de aplicaciones discretas. Y en algunos casos, las clavijas de fuente y las pestañas del cuerpo separadas podrían permitir que los transistores flotantes de lado alto y flotantes se dirijan al plano de tierra de la PCB sin un aislante y los dispositivos de montaje en superficie podrían soldarse al plano de tierra. Pero esto podría no proporcionar los beneficios deseados debido a las mayores resistencias internas.

Dado que la mayoría de los ingenieros probablemente nunca han tenido un dispositivo de 4 terminales en sus manos, hay muchas aplicaciones inteligentes que podrían no haber sido limitadas por el suministro.

Es probable que los fabricantes no quieran usar un paquete más costoso (4 pines vs 3) para un modo operativo que ha disminuido el rendimiento (efecto de puerta trasera) que muy pocas personas usarán.

Cuestiono incluso la validez de preocuparse por este detalle cuando cualquier transistor discreto está tan alejado del rendimiento de un transistor en chip como para hacer que cualquier comparación de rendimiento sea discutible. Solo llámalo una cosa más para agregar a la lista de diferencias y úsalo como una experiencia de aprendizaje.

no hay diferencia si el Bulk está conectado a la Fuente o a un voltaje ... "no es del todo cierto. Existe el efecto de puerta trasera en el que el bulk modula el canal desde la parte trasera. Es la razón por la cual NMOS en un El sustrato P utilizado en un seguidor de emisor siempre le proporciona una ganancia de 0.8 en lugar de 1.0. - marcador de posición el 4 de noviembre de 14 a las 15:33

@placeholder: Ok, digamos que en la mayoría de las aplicaciones no hay diferencia ... (como dije "normalmente"). - Cuajada Nov 4 '14 a las 15:42

@placeholder: supongo que te refieres a seguidor de origen (en lugar de seguidor de emisor) - Cuajada el 4 de noviembre de 14 a las 15:45

Sí, fuente no emisora ​​... Y en todos los casos se manifiesta y se nota. Tan normal es cuando el efecto corporal está presente. Solo los transistores FD-SOI no tienen este efecto (pero tienen otros problemas) - marcador de posición el 4 de noviembre de 14 a las 15:49

... pero no en todos los casos importa en absoluto; como en los ejemplos que vinculé y para los fines puedo suponer que el OP lo usará. - Cuajada Nov 4 '14 a las 15:57

Ustedes se lo están perdiendo. Claro que hay una diferencia de rendimiento debido al efecto corporal. Pero funcionalmente hablando, el sustrato debe ser el voltaje más negativo en el circuito para NMOS y el voltaje más positivo en el circuito para PMOS. De lo contrario, la unión PN entre la fuente al sustrato o el voltaje de drenaje al sustrato puede convertirse en una unión PN polarizada hacia adelante y ya no tendrá un FET en funcionamiento.

Y si vincula el cuerpo a la fuente, y quiere usar el NFET, por ejemplo, para un interruptor de muestreo, ¿y si el voltaje de drenaje es menor que el voltaje de la fuente? OOPS? Cuando el cuerpo está conectado a la fuente, no puede permitir que el voltaje de drenaje caiga por debajo del voltaje de la fuente. O su adiós FET y hola diodo.