增强型MOS管的源漏极能不能反接？

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

NMOS结构

(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 $U_{DS}$ 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？

输出(左)与输入(右)特性曲线

当NMOS管的控制电压(栅源电压) $U_{GS}$ >开启电压 $U_{GS(th)}$ (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 $U_{DS}$ =0时，是不会产生漏源电流 $I_{D}$ 的(如上图左)。只有 $U_{DS}$ >0时，即电动势 $\varphi _{D}$ > $\varphi _{S}$ 时才会产生电流 $I_{D}$ >0，电流从D流向S。

衬底和源极连接， $U_{GS}$ > $U_{GS(th)}$ 且 $U_{DS}$ >0的情况下(正确的工作模式)，NMOS工作原理如下图：

NMOS正常工作原理图

那么，在 $U_{GS}$ > $U_{GS(th)}$ ，已形成反型层的情况下，当 $U_{DS}$ <0即电动势 $\varphi _{D}$ < $\varphi _{S}$ 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 $I_{D}$ 。如果 $\varphi _{D}$ > $\varphi _{S}$ ，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 $U_{DS}$ >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 $U_{GS}$ > $U_{GS(th)}$ 时，源极电子和B极少子共同形成反型层，当 $U_{DS}$ >0时，如上面(1)所述，反型层能正常导电；当 $U_{DS}$ <0时(将上图的 $U_{DS}$ 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 $U_{DS}$ 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， $U_{DS}$ 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 $U_{DS}$ >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：

常用极性反接保护电路

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 $U_{DS}$ <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：

仿真结果

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： $U_{DS}$ >0可以， $U_{DS}$ <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：

NMOS管进行极性反接保护的几个疑问

~~【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： $U_{GS}$ > $U_{GS(th)}$ (2V以上)>0且 $U_{DS}$ >0，即DS之间电源不要反接；~~

~~2)若 $U_{DS}$ <0，那么NMOS管是无法正常工作的，只相当于在 $U_{DS}$ 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： $U_{GS}$ < $U_{GS(th)}$ <0且 $U_{DS}$ <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)：

MOS管的源级漏极区别

nMOS晶体管导通时，为什么电流是从源极流到漏极，而不是漏极流到源极？

MOS管漏极与源极的电压反接有什么用

MOS 场效应晶体管

场效应管寄生二极管

增强型MOS管的源漏极能不能反接？

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