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[問題求助] MOS 額定電流問題

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1#
發表於 2013-1-23 20:30:50 | 顯示全部樓層
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-23 09:09 PM 編輯
0 Y# g! R0 ]% f+ Z/ B
" {- X. T( U  E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
5 |; A& d+ _& V5 B-------------------------------------------------------------! G) E9 D5 y# Q5 [9 G$ \7 M
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 W0 o( c9 D' N! UL為通道長度* G& n1 `4 p& C* }& I
W為通道寬度1 G# H! u' t3 B1 d* x' c
所以W*L閘極(Gate)的截面積
+ D% s) L: g$ `+ U' F: t) E而氧化層(SiO2)的厚度為tox! A* R# i# @3 Z0 J1 u% U

1 n0 i4 J9 o( [3 Y& y6 o6 k0 o↑圖一
4 I3 i. f6 C4 w# W2 c
$ A! y9 E& j# L; h: N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* b' ?" T/ p" N3 P
至於M值,不清楚你指的是什麼
$ P3 N8 a: m) m  j8 b如果是spice的M那是指元件並聯的數目0 p6 f0 \* y5 S3 {: y  |
如果是
: P" B" [: M* E+ C! yId=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds3 E5 ?. v* `: q  n! O
M=un*Cox(un:電子漂移率)
8 j8 f& U6 M5 c那就更不可能與截面積有關了- O2 O7 D' [$ N

/ w4 P9 L$ [# e/ c+ O/ f) L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4 \, Q# y! f& D+ F( Q, T
這時令Vds=Vgs-Vt,則上面的式子就變成
! P  t8 [7 V+ u! a- OId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]+ W' U+ I2 V0 w% s# ^7 X; V
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) G, z( o6 z6 r
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); A# Y7 Q& }7 s+ j
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7 k! w+ p! n8 n% {( A0 u* k& 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; X$ A5 [3 Q6 h1 V$ S
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
! U8 l- ?# S( n
9 ?7 U4 s/ C" ~4 `  n, k* Q, {/ N, m所以會影響MOS額定電流的因素至少有6 S! x' I. i* r6 H% w( G8 ~
1. 截面積(W或L改變)
. @! W5 `& k' W  I7 S, \2. 溫度
( q0 t. ]  e) ?+ _0 b. h3. 氧化層厚度
( T  S* b/ j4 k4 U  p4. 基底(Substrate)濃度
. j) ?, Y5 X1 c9 _1 n: m5. 閘極對源極的電壓(Vgs); G: u8 j; a: \" }* q
% P4 J. [* Y: G$ g" j: |$ z5 a
如果連通道調變也算進去* j6 F* A. G3 H% T+ I% x
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds), F5 R$ G! a) v
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
. X" M; }, _2 W8 H& ]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/ K8 D% a# R! X) p. \
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)  H6 b: I9 P1 R9 A) ?' x
(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)
6 f6 T7 b+ _2 P( l' V; W, T% }
: P! E0 P' ?9 P& O5 j* Q只是下面文件中的算法,較為簡潔也實用
7 A) h" j0 r- y藉由接面對外殼(Junction-to-case)內部熱電阻Rth接面的額定溫度(Tjm)外殼溫度(Tc)帶入下方公式算出消耗功率
7 A8 \6 r6 e- YP=(Tjm-Tc)/Rth
6 @, Q% w. n) Z1 z8 P' y因為MOS導通後會有Rds(on),所以& Q2 D. Z$ M1 q/ J
P=(Id^2) * Rds(on)1 A' v5 v, Y+ f
如此求得
+ h- ^) S( ?6 G$ Z* T& e- PId=sqrt[(Tjm-Tc)/(Rth*Rds(on))]" z/ D2 t. k  |  j$ a. _
這裡的Rds(on)是指在溫度為Tjm情況的導通電組
. q9 Z+ {2 Z7 ^; I" W& Z0 D- J0 H4 R! p- F( a  k0 L$ r
以下是幾份文件檔供你參考,希望能確實幫助你" U" k0 g/ l* R+ E1 a' T; W( k
  o  k8 T2 K1 M

# A( ^1 w. Q3 c6 \( R- m
* M/ O( L& Z; G3 ^# f: h
/ P0 t: m% R: {5 `3 P

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2#
發表於 2013-1-24 16:53:37 | 顯示全部樓層

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
: L+ z& j$ Q  w$ r$ z: a$ {3 K
! m4 J: [- f) E- ?. n昨天打太快沒有注意到,有關上面提到的6 z/ V) [" }$ E! q6 A
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]6 p- f* t6 }$ c0 _9 [' w  H( A9 w# O
應該改成
" O( k, b; t8 W/ t. I3 S8 Y( a0 |Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]
$ _' ?7 b5 Q$ T) V( ~9 D5 ]6 N( W$ B2 B) W3 K' T
Vth是臨界電壓(threshold voltage)
/ h; A3 C) G" N) A8 g8 `Vt則是熱電壓(thermal voltage): Y9 _" Q& Z1 [; I' G
但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
4 I/ V9 s2 p7 r9 U# E; d) w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)]2 L7 L" s5 a& p4 \( \( S  w
裡面的phi_p就跟溫度相關2 w. r/ e2 m5 x
" k2 I; X! e* @' `5 m" V+ h
下面這篇文件就會提到Vth的部分1 T1 z# ], u8 o; t2 x$ q

$ q( Y+ L; t+ I下面是整個敘述場效電晶體的
$ ~0 R. N6 r- G+ H+ s/ |" y1 u- r5 n: [
而下面則是含熱電壓的部分,可以直接看第38與39頁
7 O/ J! R1 \0 _! }3 I2 `- u
, ]( r3 Y+ r  u3 D' I- I, s1 g0 {5 G& @  ]) Q
希望對你有幫助

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3#
發表於 2013-1-25 12:50:54 | 顯示全部樓層
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:30 PM 編輯 # ~8 m1 @5 h5 v$ J: {5 ?

2 B7 z! g& y/ o; n# r7 W我想用
7 C, e, I/ d2 ]) }2 ^( @/ i2 I) UI(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
) P8 W" |" q. U$ E9 E0 o這個公式來解釋吧!
! i; y6 d8 j% H6 M/ X. {- e: x: Z, d

8 e; ]. I. `: {                          ↑圖一0 }. ]: o& G( I4 h

+ n; }2 b3 K$ L( s如圖一,Source與Drain之間的通道厚度Xc
4 C( a( U/ g2 v$ r* m/ F" d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)( u4 v; v! N$ h4 I; 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2 O8 n! {3 \! i/ g3 k' u- U$ f
擴散電流密度Jdiff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)& u' X# e* v. u  y# b2 e
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% F: O$ E& G  _) P! F. t

. L5 v) L' }) s* Y/ d0 I所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
' w# T; T( a! Z. SI=(Jdiff+Jdrift)*Ac% C) ~4 d5 m" W/ O
通道截面積Ac=W*Xc
  u- G7 K6 D/ C& |因此
, M4 a- b! A/ Y1 q' }# R" OI=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc
1 U% t+ y. w% }4 h6 g- G5 I, C! N
4 x2 e3 |8 ~  \( i, F# d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
5 B- j; H5 |* e6 ]5 M5 R  C# f4 G但也因此就必須佔更多的chip空間
! v$ B. c! k3 _0 C那有人乾脆讓通道長度L變短,這樣就不會加大Ac( C9 j, p; k3 Q( v$ x$ ]
但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L
1 a- ^1 s; X! J- O) W$ v所以通道變短的話,需要的Gate面積就愈少
# y) _& g( {, @4 g+ q  k: \9 F3 u) \
結論就是  p8 W; Y) e2 g) M8 W
如果通道變短(L變小),Gate面積電流會變但不會加大元件總面積
8 v+ L0 Y3 @; C如果通道不要變短,那寬度W就要電流才會,可是Gate面積、總面積就變* b( H; q+ T: R. v' L
- Q5 F  A- E& e# y7 V$ ?& I, Q! v% N
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, P: l+ h2 F' U! `. \- w7 T8 h& {
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)
/ H1 Z. s  M# U: q2 C你可以看一下飽和區的電流: X+ h1 i9 j+ N( f8 W3 [0 h; P- |# x* n* C
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
: @" W: n* E5 ^6 |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
' u1 |- O- q! y/ y  M* W) K- L1 U9 O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
; P, s' c& v2 \' R! X" E) m* z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
0 O  w1 \% B/ I5 Q8 p, ?( d5 a, i# F. O: [% o- {
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7 e( u! F; R+ u5 n2 f0 F8 e
如果你需要的是I=J*A以外的公式,我想我也束手無策了

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4#
發表於 2013-1-25 13:48:37 | 顯示全部樓層
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:57 PM 編輯 : @4 Z$ j6 E1 `) N4 P; R
4 r7 ?( F- ]7 P8 B- A% B( |
順便一提,如果考慮通道長度調變,那Xc就不是定值. q2 Y& O/ `# V. @
至於怎麼算,就看你在Source跟Drain端量到的通道厚度來推估了
1 d- Q! M) N4 F: E假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc06 }# [6 m3 s! N. F! h
比方說* l' g; b7 t4 F
1. Drain端沒發生pinch-off,在x=L處Xc=Xd' T, u9 X: [$ [2 z
那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]0 V; I& s( a9 v# ~; q
% K' m3 A7 ?! |! v2 T  s
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=Xc09 h; Y8 n+ v9 p0 g
那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]
0 g/ `3 _4 Q9 u! T% c3 ^1 Y
# \. W) p$ T7 u: g- s4 F' M3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)
" b$ Z3 W% L$ P- r, x+ A那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]
) Y0 \, X, ~5 D) e
5 X9 Y  b3 g# L+ u; H* ?7 S希望對你有幫助
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