¿Por qué el drenaje de la terminal de origen del MOSFET funciona de manera diferente mientras que su estructura física es similar/simétrica?
Este es un MOSFET:
Puedes ver que el drenaje y la fuente son similares.
Entonces, ¿por qué necesito conectar uno de ellos a VCC y el otro a GND?
Mito: los fabricantes conspiran para colocar diodos internos en componentes discretos para que solo los diseñadores de IC puedan hacer cosas interesantes con los MOSFET de 4 terminales.
Verdad: los MOSFET de 4 terminales no son muy útiles.
Cualquier juntura P-N es un diodo (entre otras formas de hacer diodos). Un MOSFET tiene dos de ellos, aquí mismo:
Esa gran porción de silicio dopado con P es el cuerpo o el sustrato. Considerando estos diodos, uno puede ver que es bastante importante que el cuerpo siempre esté a un voltaje más bajo que la fuente o el drenaje. De lo contrario, se polarizan directamente los diodos, y eso probablemente no es lo que querías.
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)}\$ no es cero. Si es lo suficientemente alto para polarizar directamente el diodo de cuerpo-fuente, ya no tienes un MOSFET: tienes un BJT. Eso tampoco es lo que querías.
En dispositivos CMOS, se pone aún peor. En CMOS, tienes estructuras PNPN, que forman un tiristor parásito. Esto es lo que causa latch-up.
Solución: cortocircuitar el cuerpo con la fuente. Esto cortocircuita el base-emisor del BJT parásito, manteniéndolo firmemente apagado. Idealmente no haces esto a través de conexiones externas, porque entonces el "corto" también tendría alta inductancia y resistencia parásita, haciendo que el "mantener apagado" del BJT parásito no sea tan sólido. En lugar de eso, los cortocircuitas directamente en el die.
Por eso los MOSFET no son simétricos. Puede ser que algunos diseños por lo demás sean simétricos, pero para hacer un MOSFET que se comporte de manera confiable como un MOSFET, debes cortocircuitar una de esas regiones N al cuerpo. A cualquiera que hagas eso, ahora es la fuente, y el diodo que no cortocircuitaste es el "diodo de cuerpo".
Esto no es nada específico de los transistores discretos, en realidad. Si tienes un MOSFET de 4 terminales, entonces debes asegurarte de que el cuerpo esté siempre al voltaje más bajo (o más alto, para dispositivos de canal P). En los ICs, el cuerpo es el sustrato para todo el IC, y generalmente está conectado a tierra. Si el cuerpo está a un voltaje más bajo que la fuente, entonces debes considerar efecto del cuerpo. Si observas un circuito CMOS donde hay una fuente no conectada a tierra (como la compuerta NAND a continuación), realmente no importa, porque si B es alto, entonces el transistor más bajo está encendido, y el de arriba realmente tiene su fuente conectada a tierra. O, B es bajo, y la salida es alta, y no hay corriente en los dos transistores inferiores.
En un NFET es claramente necesario que los potenciales de fuente y drenaje no sean inferiores al potencial del cuerpo, pero ello no implica que la fuente y el drenaje tengan que tener una polaridad fija una con respecto a la otra. No es raro encontrarse con una situación en la que se quiera conectar o desconectar dos puntos, ambos de los cuales siempre estarán por encima de algún punto de "tierra", pero cualquiera de los dos podría estar más alto que el otro. Se podrían usar dos MOSFETs para eso, pero eso parecería algo derrochador si un "MOSFET de cuatro terminales" pudiera hacer el trabajo.
@supercat seguro, pero entonces debes tener en cuenta las capacitancias e inductancias parasitarias y analizar tu circuito para garantizar que la fuente y el drenaje permanezcan a potenciales más altos que el cuerpo incluso en presencia de alto dv/dt o di/dt. Dado que estos parásitos dependen mucho del diseño y las variaciones en la fabricación, en muchos casos esto parece más difícil que la alternativa de diseñar un controlador de puerta flotante y usar un MOSFET de 3 terminales ordinario.
Hay muchos circuitos en los que los MOSFET de tres terminales son simplemente geniales. Sin embargo, hay momentos en los que es necesario cambiar la corriente en dos direcciones. Se podría usar MOSFETs conectados en paralelo, pero eso parece algo derrochador. Puede ser que una conexión de fuente/sustrato sea tan ventajosa para la geometría del proceso que un par conectado en paralelo con un RDSon y una capacidad para manejar corriente dados pueda ser más barato de fabricar que un solo MOSFET con base aislada, en cuyo caso no sería realmente derrochador, pero no sé si ese es el caso.
La geometría de los MOSFET discretos es muy diferente de la de los integrados; mientras que un NFET integrado tendrá un sustrato P, muchos MOSFET discretos tienen un sustrato de tipo N que está conectado al drain en un lado del transistor; la base (que se comporta como el sustrato de un MOSFET integrado) y la fuente están conectadas en el otro lado del transistor.
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 ánodo en la fuente, por lo que debes usar el terminal de drenaje marcado como el drenaje y el terminal de fuente marcado como la fuente.
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