¿Por qué la fuente MOSFET se indica con una flecha?

Sé que un MOSFET básico contiene fuente y drenaje, y es un NMOS o PMOS; se indica con una flecha en la fuente. Pero echemos un vistazo a un NMOS fabricado.

Aquí podemos ver fácilmente que un pin es la fuente o que el drenaje depende totalmente de la conexión. Sin conexiones, este dispositivo es simétrico. Pero mira los símbolos MOSFET convencionales. Todos estos símbolos marcan un pin como fuente y otro como drenaje. Porqué es eso ? ¿Por qué estos símbolos no son simétricos como lo es el dispositivo?

Cuando trabajo en Cadence, todos los símbolos esquemáticos tienen este tipo de símbolos donde se marcan las fuentes. Pero cuando se utilizará para la fabricación, la fuente y el drenaje estarán determinados por la conexión, no por el símbolo.

Los MOSFET de IC no son lo mismo que sus contrapartes discretas

Tiene razón en que los MOSFET de cuatro terminales difusos lateralmente (como los que componen los IC de CMOS) son dispositivos simétricos: el sustrato o pozo está conectado por separado al potencial más bajo o más alto (según el tipo de FET que tenga) el circuito, mientras que la fuente puede elevarse por encima / bajar por debajo del potencial del sustrato / pozo.

Sin embargo , el 99% de los MOSFET discretos realizados a lo largo de la historia y el 100% de los MOSFET discretos en la producción actual usan una estructura diferente ; en lugar de tener la fuente y el drenaje lado a lado, el drenaje está en la parte inferior y la fuente es en la parte superior, con la puerta cortada en el FET. Esto se llama MOSFET vertical y se muestra a continuación en su forma moderna (es decir, una estructura MOS de zanja; los primeros MOSFET verticales usaban una ranura en V para la puerta en lugar de la zanja). Estas estructuras son inherentemente asimétricas, y también se prestan a conectarse al sustrato a la fuente, formando así el diodo del cuerpo que es una parte sorprendentemente útil de un dispositivo MOS de potencia.

La flecha no indica la dirección del flujo de corriente, indica la unión PN entre el cuerpo y el canal.

Si usa el símbolo de 4 terminales, de hecho es a menudo simétrico:

En el diseño de IC, los kits de diseño deberían darle la opción de usar estos símbolos o algo así, porque el cuerpo generalmente estará vinculado al potencial más bajo o más alto en todo el IC (tal vez con aún más flexibilidad para dispositivos PMOS en un n- bien el proceso), no necesariamente a la misma terminal que la fuente.

En un diseño discreto, generalmente está limitado a conectar el cuerpo al mismo terminal que la fuente.

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

Esa gran parte de silicio dopado con P es el cuerpo o el sustrato. Teniendo en cuenta estos diodos, se puede ver que es bastante importante que el cuerpo esté siempre a un voltaje más bajo que la fuente o el drenaje. De lo contrario, sesgas hacia adelante los diodos, y eso probablemente no sea lo que querías.

¡Pero espera, se pone peor! Un BJT es un sandwich 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 RDS (encendido) RDS (encendido) no es cero. Si es lo suficientemente alto como para polarizar hacia adelante el diodo fuente del cuerpo, ya no tiene un MOSFET: tiene un BJT. Eso tampoco es lo que querías.

En los dispositivos CMOS, empeora aún más. En CMOS, tienes estructuras PNPN, que hacen un tiristor parásito. Esto es lo que causa el enganche.

Solución: acortar el cuerpo a la fuente. Esto corta el emisor base del parásito BJT, manteniéndolo firmemente alejado. Idealmente, no se hace esto a través de cables externos, porque entonces el "corto" también tendría una alta inductancia y resistencia parasitarias, lo que hace que la "retención" del BJT parásito no sea tan fuerte. En cambio, los cortas justo en el dado.

Es por eso que los MOSFET no son simétricos. Es posible 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. Para cualquiera que haga eso, ahora es la fuente, y el diodo que no cortocircuitó es el "diodo del cuerpo".

Esto no es nada específico para los transistores discretos, realmente. Si tiene un MOSFET de 4 terminales, debe asegurarse de que el cuerpo esté siempre al 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 generalmente 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), realmente 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.

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

FYI: Estoy muy satisfecho con esta respuesta detallada que pensé que debería estar aquí. Gracias a Phil Frost

La fuente y el drenaje no siempre son iguales, esto es cierto en particular para dispositivos discretos, pero también hay una serie de transistores integrados con una estructura diferente para la fuente y el drenaje.

Los transistores integrados son a menudo simétricos, el drenaje y la fuente se pueden usar indistintamente. La flecha en el terminal "fuente" se usa para indicar el tipo de transistor (NMOS o PMOS) y se usa para mapearlo adecuadamente en los modelos de transistores subyacentes que a veces se refieren a la fuente. Por supuesto, los terminales se pueden usar con cambio de drenaje y fuente y se invierte el modelo del transistor.

Finalmente, hay algunos kits de diseño en los que no hay una flecha de origen para tener en cuenta el hecho de que los transistores son simétricos.