MOS 額定電流問題

m851055

各位線上前輩：
) q' E. k3 i6 u$ K7 U8 J請問MOS 額定電流是否與MOS面積有關？
# ?4 q4 [2 y( m  J5 A3 ]面積是指MOS的L*W*M 嗎?
7 D5 g  P2 n1 R+ k0 j- Z" h那額定電流計算式為何？

card_4_girt

9 @4 D; `& N: D/ L
$ A# l  k$ u* n# H/ ~) A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
- h+ t6 I" |4 ]( i-------------------------------------------------------------
$ x/ A! _. w. U. D& i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
L為通道長度
W為通道寬度
所以W*L為閘極(Gate)的截面積
$ y+ n1 {! [; s9 P9 l* P: @* X1 m而氧化層(SiO2)的厚度為tox
: }4 L- Q3 a, D2 M7 o! Q: W! C
↑圖一
# F& ~8 X$ T! ]* @
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
& t4 E4 \8 _! i至於M值，不清楚你指的是什麼
. d5 n) r9 ^$ v如果是spice的M那是指元件並聯的數目
如果是
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
3 @' E/ s# c: X0 n% P9 O( eM=un*Cox(un:電子漂移率)
" y6 l1 L8 b8 {( D7 ]  _那就更不可能與截面積有關了

3 N, W1 O9 ]: A% ?: R% t. y7 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
這時令Vds=Vgs-Vt，則上面的式子就變成
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
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
+ q1 ]6 }  t$ |$ }4 E8 z% M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)
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
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
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
6 K; f- {1 l0 J- s. I2 `
所以會影響MOS額定電流的因素至少有
/ }; F$ Z/ {) F# K9 g+ q1. 截面積(W或L改變)
4 y' M) ^1 J! d. X& e- D2. 溫度
3. 氧化層厚度
: h+ W" H* t. L& l+ ?, }; F8 t4. 基底(Substrate)濃度
5 c" W/ Y3 V, M0 R8 v5. 閘極對源極的電壓(Vgs)

如果連通道調變也算進去
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds)
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
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
5 j. E* b' q  d7 f' E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)
5 L7 d( q$ r" l, y) w0 J+ R" G* g(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)

只是下面文件中的算法，較為簡潔也實用
1 o, K, u, [' v% j0 `6 v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
P=(Tjm-Tc)/Rth
: f# ]: k. L4 a% c- s  i4 M因為MOS導通後會有Rds(on)，所以
( M8 T3 T' I; c6 X, IP=(Id^2) * Rds(on)
如此求得
Id=sqrt[(Tjm-Tc)/(Rth*Rds(on))]
這裡的Rds(on)是指在溫度為Tjm情況的導通電組

8 M, V$ S$ t" y  l- H以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你

) y6 f" M& ^  b; Z# G5 U" t

card_4_girt

9 {4 ~7 V$ q# X% p+ I" G6 F2 D2 ^
昨天打太快沒有注意到，有關上面提到的
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
1 w! q5 Y: x4 `; g2 A) s7 _應該改成
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]

; M6 t9 y; r8 B3 XVth是臨界電壓(threshold voltage)
Vt則是熱電壓(thermal voltage)
但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
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)]
0 S& T0 m  G' I& e裡面的phi_p就跟溫度相關
) H- m- R3 }* n: D: i) {* Q1 F
下面這篇文件就會提到Vth的部分

2 k1 U7 m2 k& o: {. V3 n下面是整個敘述場效電晶體的
2 D) x' f% a9 H- e# O5 p' G1 @
而下面則是含熱電壓的部分，可以直接看第38與39頁


希望對你有幫助

m851055

Dear card_4_girt

, V8 P. x( @6 ]. ?) z$ n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，

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
8 m4 D" y6 V, `# k& T
其關係為何？

card_4_girt

+ m9 Y: B/ O( L8 @; j* N: H我想用
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
& w- Y: }1 v3 j2 L. T9 v  a這個公式來解釋吧！

3 V2 U& d9 d( [; G9 F4 S
  r0 \$ i$ U% E8 B# Z                          ↑圖一
  v8 a9 x% D5 s! j5 ]
& h0 n( D( D8 P+ O如圖一，Source與Drain之間的通道厚度為Xc
' l/ H9 [1 \1 W5 f' z! {. i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)
3 H$ S! d7 U' u) W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
# C1 L; g7 }& z$ Z" O7 q: Z' l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)
# H3 u) i% l9 G6 V8 t$ M, U" ^) u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

' J0 w( I6 w3 D) L所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
, V3 y- R( a/ o4 o. hI=(Jdiff+Jdrift)*Ac
通道截面積Ac=W*Xc
因此
I=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc

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
0 X2 X( T' T" \" p+ L但也因此就必須佔更多的chip空間
那有人乾脆讓通道長度L變短，這樣就不會加大Ac
但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L
  Q; X1 H& O9 t0 u" w" L所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
4 W  ~0 r! ~1 D5 I, R/ B+ q) j0 b
; d' K& O. ^- N. J- z結論就是
/ g/ z9 T+ s/ j0 W* M% v; S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
  _9 N0 Z* @6 w  x! U: Z9 S3 y: \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

9 T) _! A: A7 E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
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)
4 I( U% ]  D% ~+ @; F: ?7 X你可以看一下飽和區的電流
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
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
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
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
1 z# [' C: o( b: [% K3 M
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
( r/ ^4 T- a- }- r# j' Q如果你需要的是I=J*A以外的公式，我想我也束手無策了

card_4_girt

順便一提，如果考慮通道長度調變，那Xc就不是定值
至於怎麼算，就看你在Source跟Drain端量到的通道厚度來推估了
3 ]" y; p0 B: a" T+ Y6 o假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
- N' P. G0 Z6 A7 S- w比方說
1. Drain端沒發生pinch-off，在x=L處Xc=Xd
那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]
8 |" e% I& }7 j6 K
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
$ t8 L! q% ]5 t, ~! q8 y. ^1 i* r# I那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]
. v: L0 g, x$ N
3 ^( y7 o, X) n  K7 M% Y4 b3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)
那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]

希望對你有幫助

m851055

Dear card_4_girt
8 W0 n2 c) j4 W; y6 `+ x3 [: [8 A感謝您的幫忙。感恩！

alienwarejian

:谢诶
谢谢