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標題:
MOS 額定電流問題
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作者:
m851055
時間:
2013-1-22 10:12 PM
標題:
MOS 額定電流問題
各位線上前輩：
9 e0 d7 p3 Y7 k4 I
請問MOS 額定電流是否與MOS面積有關？
/ w0 D- ]9 q# L0 l) A. g
面積是指MOS的L*W*M 嗎?
' ~, V& }3 O' s# ?4 G
那額定電流計算式為何？
: z4 O9 R3 o7 L' p4 C
( w- B: J2 {0 T$ ]
作者:
card_4_girt
時間:
2013-1-23 08:30 PM
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-23 09:09 PM 編輯
( E. y, L+ b& r7 Z. _; e
, w: y8 O* T. ~
下面純屬個人的想法，如果有錯的話還請各位前輩們修正，順便於最後附上幾份文件給大家
6 g0 Q0 m8 q' K
-------------------------------------------------------------
* b2 z* V; R( t) C
如果先不談通道調變效應以及源/汲(Drain/Source)兩端的延伸側邊考慮圖一的MOS結構，那麼
5 \& Y7 c9 u+ S
L為
通道長度
) C1 l& ~7 O$ }; \+ L4 ?/ x
W為
通道寬度
' G# S/ P/ b* K+ L% ~( M9 f) q3 D y5 S
所以
W*L
為
閘極(Gate)的截面積
7 t4 N1 n% p) z, ~8 y1 p. ~, U, q
而氧化層(SiO2)的厚度為
tox
5 L- ? b" a1 k
[attach]17969[/attach]
' ?2 e4 A5 i1 x& q1 u2 Z# k$ j' B
↑圖一
! D1 ^/ W7 [$ v& u
7 ~9 K# W0 g3 w6 n6 P
因為在此寬度(W)是相同的，所以只要給定Source或Drain的長度(L)，各別的截面積就算得出來
6 }" Z4 g1 w8 Z* M
至於M值，不清楚你指的是什麼
. Q- }* `8 P' L0 G$ X) u6 p
如果是spice的M那是指元件並聯的數目
6 b K) c3 f! d( U6 e& U
如果是
( l% |* A6 {2 N1 A
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
. W+ p+ p3 | O) Y; l8 Z
M=un*Cox(un:電子漂移率)
4 D, T8 C) V; o
那就更不可能與截面積有關了
7 m" g- \) D' F8 S
- V) l+ U" k7 q0 N" Y
如果就MOS元件特性來看，要有比較大的增益，就要讓它操作在飽和區
9 h! X' r6 b: e" G" B
這時令Vds=Vgs-Vt，則上面的式子就變成
* q4 j; o9 k3 u b% o" Z$ }
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
+ W- X; s5 f+ X3 G% Z' M1 E
此時Vds怎麼樣都不使得Id改變，如果又假設在
常溫
之下讓
Vt固定
，那只有
Vgs
才能
使Id改變
! f% s% a8 f) P
換句話說，此時飽和區中MOS額定電流取決於
最大的Vgs(閘極對源極)
. i' H" J& F9 k2 y- [; D, Y/ s
如果又不是在常溫之下，那麼
Vt=kT/q(thermal voltage)
就隨
T(絕對溫度)
變化
! B; b) k! G2 r7 e1 u
如果Gate面積改變，比方說
寬度(W)
加長或
通道(L)
變短，Id也會改變
" S9 V6 X- P- C8 w, K7 z
再來如果是製作元件，需要動到M值，比如
氧化層增厚
，或是un值受到溫度或載子濃度而改變，這些都會影響到Id
0 e) {( Y( h+ L4 d1 I. e
& C5 j0 `; [$ g: `, o. M
所以會影響MOS額定電流的因素至少有
e, o/ `3 C+ C3 S' F; K) P
1. 截面積(W或L改變)
; y/ E) x0 a" s0 ?( E& T, U
2. 溫度
* B' B: @ D( f$ \
3. 氧化層厚度
' W( \5 f, A' S6 ?
4. 基底(Substrate)濃度
; D" Z- A, `- i% s! J" D [
5. 閘極對源極的電壓(Vgs)
/ C4 F1 I4 s0 f( f
( w. C, B& V; t+ K# I9 G
如果連通道調變也算進去
7 C6 L0 t; u9 J1 P! }6 D: U
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds)
, d1 M V2 Z& ~' N! X
那即使進入飽和區，vds的改變也會造成Id的改變，但並無法從中得知額定值，但此式卻又具實際的考量
$ a( d- s0 k6 Z( }1 O# h4 Y
這時就真的需要用別的方法求得MOS的額定電流了，因為無法單憑Vgs最大就得到額定電流
R) X# \5 `/ e+ H
而且以上的說明主要是解釋哪些會影響MOS源極電流的因素，只是當電壓條件(Vgs, Vds)為最大值時，若尺寸不便，就能藉以推算相對的Id(額定值)
4 [' _; P0 I _! K0 W4 f- w
(若尺寸改變，如L，那lambda也會改變，因為lambda與L成反比，所以長通道元件的通道調變影響較小，飽和區增益也比較大)
' X0 Y# X& n# `3 l
3 e: f$ x7 I6 A, z
只是下面文件中的算法，較為簡潔也實用
3 O( T3 ^. q# t- h
藉由
接面對外殼(Junction-to-case)
的
內部熱電阻Rth
、
接面的額定溫度(Tjm)
與
外殼溫度(Tc)
帶入下方公式算出消耗功率
2 g" J9 N- v3 y C$ j
P=(Tjm-Tc)/Rth
) F( d% S' ]( ~. n" |
因為MOS導通後會有Rds(on)，所以
" C2 Z: m, _: i$ Y3 E1 E
P=(Id^2) * Rds(on)
( i/ r" G* Q. B1 @8 b4 v3 V$ q- Q
如此求得
6 x2 I k Z0 t9 @9 D0 n$ \4 O
Id=sqrt[(Tjm-Tc)/(Rth*Rds(on))]
4 f0 ^6 {3 m/ t; v2 y
這裡的Rds(on)是指在溫度為Tjm情況的導通電組
' W4 s0 I, R# j" h# Y9 h
; [5 M# }- f3 `1 v
以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你
) y$ r9 C! I F
[attach]17970[/attach]
1 j& w) a& z! V- c
[attach]17971[/attach]
9 F* Z5 h9 \9 u5 B J8 @, ~
[attach]17972[/attach]
# _# {0 W$ i3 n# C8 D9 S7 g" K
[attach]17973[/attach]
5 a' V2 u( `2 q7 J# H x) T0 q
[attach]17974[/attach]
作者:
card_4_girt
時間:
2013-1-24 04:53 PM
標題:
更正錯誤：Vt與Vth不一樣
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-24 05:07 PM 編輯
- U2 P/ {; M/ H- x! G- d
% y/ o# Y. h& o# M& A
昨天打太快沒有注意到，有關上面提到的
5 e' r. S) c. k
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
E3 T9 s) G D0 Z
應該改成
3 `' ~6 y7 C. Y9 ` |8 n' ?6 P
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]
" x- [8 A' S% W) m
3 l; a* r3 Y; M0 v' B6 H
Vth是臨界電壓(threshold voltage)
4 z6 R9 J' W! T* h; E
Vt則是熱電壓(thermal voltage)
+ Y+ I- u5 j0 o
但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
$ R& C5 o' F& A; P2 Z1 ?$ |* z
網路上找半導體物理元件會有個公式如Vth=Vth0 + gamma*[sqrt(2*phi_p+Vsb) - sqrt(2*phi_p)]
s; z& u7 x( |) o' x; I
裡面的phi_p就跟溫度相關
5 J9 [6 r" D) R T& X
2 S9 n6 ? v2 U( e
下面這篇文件就會提到Vth的部分
& E* ~! a4 s: ]" I+ d3 P
[attach]17981[/attach]
: b, x- y g5 h
下面是整個敘述場效電晶體的
; B+ f3 h* N. p7 s( g$ E
[attach]17982[/attach]
" j! L2 p1 q- Y0 u
而下面則是含熱電壓的部分，可以直接看第38與39頁
& z" Q& l/ Y. w: s8 O. M
[attach]17983[/attach]
( j5 S2 z4 x' k& t& h! X: l. z' W
5 F5 d- B2 L& ?/ o, \: N; o9 e
希望對你有幫助
作者:
m851055
時間:
2013-1-24 07:03 PM
Dear card_4_girt
9 _; r4 N* N, y d4 ~
! m9 o: c1 y* V" }
其實您講的我都知道。我要問的是一般在代工廠代工晶片，除了決定電壓製程外，
) k( j4 d3 [9 r6 [% y; E/ _
& y$ |2 D5 y' w9 Q
代工廠會問耐電流要多少，一般耐電流就是指額定電流，而額定電流又與MOS面積有關，故想問
$ I" ?( c1 M, W1 I V
3 _3 D) x' R. e6 [, Q
其關係為何？
作者:
card_4_girt
時間:
2013-1-25 12:50 PM
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:30 PM 編輯
( Z0 h5 |) {2 o) n+ z8 i& t
" f, z" n, Y1 X5 g
我想用
$ p' P' B1 a& b ]! j
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
" i n+ H- X9 O
這個公式來解釋吧！
- f1 a' |% {- E1 i5 B/ _% C$ w
4 T; ]9 L8 { {9 q
[attach]17989[/attach]
; z: P* ]3 s7 G: P& J9 t& D5 V
↑圖一
. x9 u2 n! ]2 L j+ H; v2 g3 C
X: e! }/ d6 \
如圖一，Source與Drain之間的
通道厚度
為
Xc
6 I, s E1 h! O/ s# v
通道的
寬度為W
，
長度為L
(如果有pinch-off發生就不會跟Gate長度相同)
) G5 x/ {7 o6 T5 u
如果不考慮漏電流的話，一個通道內會有擴散跟漂移電流，但我想書本都是分別用
電流密度
Jdiff和Jdrift表示
8 }. Y( p: f6 D+ ?, [4 v
擴散電流密度
Jdiff
跟
濃度的梯度
有關(dn/dx)，變化的方向為通道的方向(x=0:source 到x=L: drain)
0 T5 b" \0 ~+ i1 H* `
漂移電流密度
Jdrift
則跟
電場
相關，電場又跟電壓與長度相關，變化方向跟通道的方向相同
* k* ~. G: k8 @! ]5 g. `% v3 @+ I+ j
" X/ h) n) M8 X1 Z) A% T5 W
所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
8 Z& P0 w; F& ^" d8 `
I=(Jdiff+Jdrift)*Ac
) o# _6 _3 |: e# b# u
通道截面積
Ac=W*Xc
8 O) ]& @- u" _, j9 ^: m5 R6 v
因此
, j, O0 k' t2 Q. m* |
I=(Jdiff+Jdrift)*
W*Xc
* M& u" t U/ ?6 D* W. y
' |) Q' k1 b- c1 M
所以如果今天做大元件尺寸(寬度W變大)，因為通道截面積Ac變大，能夠通過的電流I就變多
: s. {/ m$ |- M- k8 ^
但也因此就必須佔更多的chip空間
K; d7 A" F& q4 G
那有人乾脆讓通道長度L變短，這樣就不會加大Ac
2 S: T, l2 m1 B
但因為
Gate面積
(或Oxide面積)為
Ag=W*L
6 u* f8 A0 o& ]5 e- l! s/ U+ ?
所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
! ~" K B& {* @% N9 t# b7 U
. H2 d [/ {3 k
結論就是
; g( n2 E( \' F3 `. Y9 r
如果
通道
變短(
L變小
)，
Gate面積
變
小
，
電流
會變
大
但不會加大元件總面積
0 X$ ^; d+ y3 N( T/ W8 \
如果通道不要變短，那
寬度W
就要
大
，
電流
才會
大
，可是
Gate面積、總面積
就變
大
7 G+ F0 L; r8 A
+ R3 Q3 {+ F8 q' D3 @
那你說這跟耐電流有何關係，其實說穿了耐電流指的就是在安全區域內能讓MOSFET正常工作的電流
9 r d2 Z# v/ H0 g1 @- R B8 X. T
這些區域已經考量到可以承受的最大電壓、最大溫度(可從前面回復的公式帶入計算額定值)
, m2 W& q. z8 B1 m
你可以看一下飽和區的電流
# s- J4 P E$ Q6 W! m' t0 f
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
* p4 v Y% }. j1 t
當你增加W的時候，Gate面積就增加了，通道面積也增加了，對同樣的電流密度來說，因為區域變廣，所以可以通過的電流就比較多
) K3 g1 D. V* Y# e
當你縮短通道的長度L時，Gate面積減少，但通道截面積不變，卻也讓Id增加
. r& x# Y& a5 g/ ~: i# ^6 v
只要再把安全操作區域的條件也算進去，上面的電流就是額定電流了
/ y) W- F* ` {: }
. _4 L1 d& N- X! j) v2 U5 _
如果要把漏電流算進去，那就只能看你的製程了，但這時就是I=(Jdiff+Jdrift-漏電流)*Ac=(Jdiff+Jdrift-漏電流)*W*Xc了
! A% I3 S% u# q* X8 w- A& b% B
如果你需要的是I=J*A以外的公式，我想我也束手無策了
作者:
card_4_girt
時間:
2013-1-25 01:48 PM
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:57 PM 編輯
6 C2 i! @) ?3 o. ~
$ G" y( l# E" g: j
順便一提，如果考慮通道長度調變，那Xc就不是定值
) K4 e! E: }6 o
至於怎麼算，就看你在Source跟Drain端量到的通道厚度來推估了
+ N6 A4 s5 W/ c" w
假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
8 G3 n8 D0 ]7 @% {5 G, u
比方說
$ ^8 ~8 \* k; z% U2 r: a
1. Drain端沒發生pinch-off，在x=L處Xc=Xd
7 f7 I, [( V- r3 W, m9 x' h
那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]
; _% w1 A% {: S
& N% Q7 l: }+ q) q/ W% K O) v6 v
2. Drain端發生pinch-off，那麼表示x=L的Xc=0，而如果Source端(x=0)的Xc=Xc0
- T9 U. \! l) w; w* S9 \
那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]
6 i" Q) O+ \0 t5 O& c9 q
$ {, {! o# N8 R' r- O u7 k
3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)
7 m: t ]0 P5 q* l1 _4 D. [
那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]
$ O8 H: @$ v2 r* o/ Z- z4 F" R
" j9 y; N" f6 F6 { t! j$ x
希望對你有幫助
作者:
m851055
時間:
2013-1-25 02:40 PM
Dear card_4_girt
+ L% v( N2 \9 o/ e, H8 w
感謝您的幫忙。感恩！
作者:
alienwarejian
時間:
2016-5-14 07:31 AM
:谢诶
( F! ~& I% I. t; I Y6 z
谢谢
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:谢诶
( F! ~& I% I. t; I Y6 z