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)} 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

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