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(**);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:
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 <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:
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: > (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):
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
电源电压vdd和源漏极电压vds有什么区别
场效应管源极和漏极有3点本质区别:
一、两者的结构原理不同:
1、源极的结构原理:一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区,就可以制成一个P沟道的结型场效应管。上图给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号。由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向,可以确认沟道的类型。
2、漏极的结构原理:在两个高掺杂的P区中间,夹着一层低掺杂的N区(N区一般做得很薄),形成了两个PN结。在N区的两端各做一个欧姆接触电极,在两个P区上也做上欧姆电极,并把这两P区连起来,就构成了一个场效应管。
二、两者的特点不同:
1、源极的特点:属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高(108~109Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。
2、漏极的特点:可以将多个开漏输出的Pin,连接到一条线上。通过一只上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,形成“与逻辑”关系。这也是I2C,SMBus等总线判断总线占用状态的原理。利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动,?或驱动比芯片电源电压高的负载。?
三、两者的作用不同:
1、源极的作用:共射极放大电路类似,共源极放大电路具有一定的电压放大能力,且输出电压与输入电压反相,故被称为反相电压放大器;共源极放大电路的输入电阻很高,输出电阻主要由漏极电阻Rd决定。适用于作多级放大电路的输入级或中间级。

2、漏极的作用:由于漏级开路,所以后级电路必须接一上拉电阻,上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平。这样就可以进行任意电平的转换了。?
-源极
-漏极
对于单端正激电路,VDS和你设计过程中所采用的最大工作占空比有关系。因为要考虑变压器磁通平衡。所以去磁的伏秒积要等于激磁的伏秒积。那么(VDS-VIN)*(1-Dmax)=VIN*Dmax这是理论上的VDS最小值。实际的电路中,因为变压器存在漏感,VDS的值会比这个更高。对于双端正激电路,因为电路结构的箝位设计,VDS理论上的就是等于输入电压,最大占空比不能大于0.5。


