先放结论:可以。
这几天在看MOS管的工作原理,看了那么多经典应用电路,一直的疑问是在设计电路时,源漏极到底如何接?这个问题导致我一直没有下笔写关于MOS管的理解。现在先解答一下,源漏极连接及能否反接这个问题,主要以增强型NMOS管为例,或许会挂上PMOS管。
1.源漏极定义
(1)如图,NMOS管有4个极组成。其中,P型半导体作为衬底,用B表示;在衬底上方用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层(黄色);扩散两个高掺杂的N型区,从而形成两个PN结(绿色部分),这两个PN节构成NMOS管的寄生二极管,又称体二极管,背对背;从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S;在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G,由于绝缘,和S、D极及衬底之间永远不可能产生电流。
(2)那么,像图中所示,两个N型区,到底哪个是源极,哪个是漏极呢?讲道理,这两个N型区完全对称,谁做源极谁做漏极都可以的。这里有一个判断标准:两个N型区中,和衬底相连的是源级,另一端是漏极,这是由MOS管的工作原理决定的。所以,源极和漏极并不是事先定义好的,而是根据实际元件中,和衬底B极的连接关系决定的。
2.漏源电压能否反接呢?
这个问题围困了我一周。因为看NMOS管的输出特性曲线和转移特性曲线(输入特性曲线)如下图:
UDS反接也就是输出特性曲线图的第三象限应该是什么样子?
当NMOS管的控制电压(栅源电压)>开启电压(2V以上)时,在D、S之间会形成反型层(又称作导电沟道,因沟道的导电离子极性与衬底的多子极性相反而被称为反型层)。当D、S之间没有电压即=0时,是不会产生漏源电流的(如上图左)。只有>0时,即电动势>时才会产生电流>0,电流从D流向S。
衬底和源极连接,>且>0的情况下(正确的工作模式),NMOS工作原理如下图:
那么,在>,已形成反型层的情况下,当<0即电动势<时,这种接法对NMOS而言是否可行呢?
按道理讲,衬底内当DS之间的反型层建立,只要在DS之间加电压,就可以产生电流。如果>,电流D→S,反之电流方向S→D。这个理解是对的。
(1)从第一个角度来理解。源(Source)极是源头,是能发射或源源不断产生电子多数载流子的一极(在NMOS管中,D、S区的多子就是电子),漏(Drain)极是损失或中和掉多数载流子的一极。所以,在NMOS管正常工作时,多子(电子)应该是从源极到漏极(而不能反过来),对应的电流就是从漏极到源极,此时对应的电压就应该是>0。这是从源漏极字面的意思理解。
(2)从第二个角度来理解。源极和衬底B极是短在一起的,两个地方电动势相等,看作0位;当>时,源极电子和B极少子共同形成反型层,当>0时,如上面(1)所述,反型层能正常导电;当<0时(将上图的正负调换方向后),初始阶段电流可以从S→D(电子从D→S,毕竟暂时形成的反型层还存在),但是随着时间延长,源极发射的电子不会朝漏极方向涌动,而是朝电源的正端涌动,此时反型层会因源极提供的电子减少而消失,而漏极因为与衬底不短接,即使能产生电子也无法传递到衬底层,所以反型层导电沟道彻底消失。此时DS之间只会剩衬底B到漏极D之间的一个寄生二极管,所以当DS之间电源接反时,电源之间相当于接了一个普通二极管,只有管压降。所以,DS之间的电压也应该是>0。(这个理解不知道准不准确,还请读者反馈想法,共同讨论)
20200403更新:
感谢@青岛芒果评论。
第二个角度的理解有误:
(1)反型层即N沟道形成用到的电子不是由源极提供,而是衬底少子提供的;
(2)N沟道是自由电子组成,所以可导电。形成电流时用到的电子是由半导体D或者S极提供的多子提供,“源”和“漏”的定义是基于常规UDS》0而言的,当UDS《0时,显然形成电流所需的电子可由“漏”极提供补充。“源”和“漏”不是绝对的。
(3)只要UGS》UGSth,衬底中N沟道将一直存在,此时S端电势高,D端电势低,楔形沟道为左窄右宽。由于,UGS》UGSth,所以不会产生夹断,MOS管此时将一直处于可变电阻区。个人认为不会有饱和区和击穿区,大家可以在评论区留言讨论。
(4)输出曲线第三象限与第一象限不对称。
(5)综上,增强型NMOS的D和S之间的电压是可以反接的,即UDS《0是可以的,推翻第一和第二个角度的讨论。
提出源漏极能否反接这个问题源于读到的一个公众号文章:
这篇文章中重点讲述了利用MOS管进行极性反接保护(需要将文章中的耗尽型MOS管改为增强型NMOS和PMOS才对)。显然,如文章中,两个MOS管在电路中都反接了(NMOS管的<0),这与我的认知相悖,所以才想到认真思考这个问题,并且我利用Cadence进行了仿真,仿真结果如下图:
从仿真结果来看,即使接反了,电路仍然成立。
上面NMOS管处电流方向就是从S→D的,电流显示为负值的原因很可能是:对于NMOS管,默认正的电流方向是D→S,而在上面电路中电流方向是S→D,所以电流仿真结果标识为负号;
稳压二极管是确保UGS之间的电压;
最后经过NMOS的电流是三个之路的电流之和;
采用NMOS防反接原因:N沟道的形成使压降小,功耗低。
综上所述:
MOS管的源漏极是可以反接的。即:
对于增强型NMOS管而言:>0可以,<0也可以。
对于增强型PMOS管而言,上述结论也成立。
为此问题,我开了一个帖子,里面有相关问答,感兴趣的可以参与讨论:
【开帖子之前结论暂留:
1)对NMOS管而言,要想正常工作,就应该有:>(2V以上)>0且>0,即DS之间电源不要反接;
2)若<0,那么NMOS管是无法正常工作的,只相当于在之间接了一个普通二极管,如果电流过大,可能会损坏NMOS管;
3)从1)所述的NMOS正常工作模式看出:S极的电位最低,往往接地。
注:PMOS管理解与此相似,其正常工作模式为:<<0且<0;PMOS管正常工作模式看出S极的电位最高,往往接电源。这就解释了为什么很多博文中写道:NMOS管的源极往往接地,PMOS管的源极往往接Vcc。
】
参考(链接2有S与B不短接情形说明):