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標題: MOS 額定電流問題 [打印本頁]
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：4 z1 ~' s* ~- ?; _& a
請問MOS 額定電流是否與MOS面積有關？
$ q3 O& p* F( c面積是指MOS的L*W*M 嗎?( |) e! s( O2 V$ i; n; J5 t' ^: a) |
那額定電流計算式為何？
9 i7 q- x8 p% l. B% a) e' R0 J- F+ Z
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
1 ?0 ^- B! O" R' }& X7 }$ {) E2 R  @2 i& [* o
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/ l. @9 M5 |: M/ A# {; j
-------------------------------------------------------------
" }! _1 p0 ?! _2 C, z# Z- G+ s5 }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7 _8 i! U* m" G/ T& K* o/ g4 R
L為通道長度
. s4 X: Y5 F( N0 _' \; l4 gW為通道寬度. \) D( p. H4 M7 L: K
所以W*L為閘極(Gate)的截面積
9 @/ v) X" |0 O1 G5 B而氧化層(SiO2)的厚度為tox
2 |" E- G, N0 i# k3 G. S# f[attach]17969[/attach]
, t) [% C7 q3 \7 n+ Q( G↑圖一
4 K. a3 {; c2 o& d
+ Z1 @  g& `1 A( Z' f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
9 p$ f1 p1 ^: c" j2 N0 U; h6 x5 t至於M值，不清楚你指的是什麼
8 s6 L1 `5 F4 \# Y" M% X; L如果是spice的M那是指元件並聯的數目
- i5 D0 ?5 T! J如果是
2 S1 Q, g6 J& _/ E2 Y- yId=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
9 T( n1 E. R& C# eM=un*Cox(un:電子漂移率)
7 J% X' {3 P  [那就更不可能與截面積有關了
7 S2 j5 ~/ b9 i* u2 a
" |7 }& C( `8 T; J5 r3 [2 h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; s7 _: e/ }* X. n
這時令Vds=Vgs-Vt，則上面的式子就變成! r" [. t: e* F+ ]1 |! `
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]2 q) R- q3 A  k
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( I: l7 R5 C, _) s2 f( }
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)
8 r6 W0 h, J9 y1 l& a, \! k) O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3 e. ?$ o' M' u/ a
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
# d  d# T# o" E* _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' H0 x" @  O, y5 G& x

9 V& |* C. p2 @5 U" d所以會影響MOS額定電流的因素至少有
6 s; Q% Y* ~. l; A2 X$ K+ O+ f8 t1. 截面積(W或L改變)9 @( o6 ^- R5 o  U9 h: P8 c& G0 s
2. 溫度
1 ^) W8 r3 e3 Y3. 氧化層厚度
" S1 t8 k5 V# o& \" j4. 基底(Substrate)濃度
0 k, _4 {. ^: n% w: t( ~5. 閘極對源極的電壓(Vgs)
' @: E8 n0 i! O; ?' u9 v" v4 `) Z% A$ J; I# v
如果連通道調變也算進去0 O7 Z% l2 E( }+ b2 |) b" w
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds). _8 O2 m' P3 ], m- B. z
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
2 F9 i. G9 P9 X1 M: o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( ?7 B4 Y4 c; L! T- s8 i
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)8 A$ R6 u4 S' {3 ^  g; Q
(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)" V9 q; f/ d$ V

' i  j% Y+ W" X/ W! O( Q$ P只是下面文件中的算法，較為簡潔也實用# ]; F: W5 Q% o' _  p* R: k& x( |
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
) G' I0 S4 s* ~* x3 kP=(Tjm-Tc)/Rth
- r7 X7 e5 ^* w6 u& O) r因為MOS導通後會有Rds(on)，所以2 e7 a5 W( k( J6 u
P=(Id^2) * Rds(on)
9 V5 M! R, m5 i: N: b( u1 @' H" Y* e) p如此求得+ M6 M( T6 u! Y+ g
Id=sqrt[(Tjm-Tc)/(Rth*Rds(on))]& C. f7 B8 s$ L/ I8 N2 p- M# s) Y9 I! G
這裡的Rds(on)是指在溫度為Tjm情況的導通電組
  T' ?5 T; J6 [$ q% X, {, g
  C2 f0 x* E9 n0 E! T以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你# e6 Y2 Y" H  K9 ]
[attach]17970[/attach]
- ~% T$ u) S( d& \[attach]17971[/attach]. Q( x" E# W9 E" }4 a9 Q8 r
[attach]17972[/attach]/ r- V: _, J& ^* Z8 O9 x# q) P
[attach]17973[/attach]8 L# S0 }; B/ s* _5 \" b: |
[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 # b; \- Q* s! V3 c2 l
, f& @2 p% S7 A/ e3 O4 d
昨天打太快沒有注意到，有關上面提到的8 o- l9 \3 Z; L8 a4 h- x
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]8 e0 \/ A! a+ T  p; \
應該改成/ R5 ?) z( ^& b5 J
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]
5 b% n) r8 K; w# J
2 R% F5 U( F4 rVth是臨界電壓(threshold voltage)
8 U7 B! o6 U+ X1 K6 f7 VVt則是熱電壓(thermal voltage)& u$ L( B- ?: S! N+ P3 G
但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
" ^- Z, ?# K% P  c& R& c- v7 Z0 P3 p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)]
( |- u8 R& v* @! N  B裡面的phi_p就跟溫度相關' A4 |5 S3 F  X& j" X" `
( c, b/ J8 o" e& y$ g
下面這篇文件就會提到Vth的部分2 y. `" L; B: f, R" `
[attach]17981[/attach]
- n- }0 b/ S# G下面是整個敘述場效電晶體的
5 y  t: d& H3 Z/ V( M- z6 Z, o3 [. o[attach]17982[/attach]
1 A# n: x. D' b- ]0 M) c而下面則是含熱電壓的部分，可以直接看第38與39頁; M; g8 }3 |( Y) f# R
[attach]17983[/attach]$ t0 a' o' _4 H" r. ~

* g2 O* w* [5 y1 O希望對你有幫助
作者: m851055    時間: 2013-1-24 07:03 PM
Dear card_4_girt
5 m7 ?  S& d/ Q! |: N: C  k
! e4 g2 {7 q0 g6 ~5 w* @9 `; r( Q# e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，
5 a' Q) t* a4 y. P1 ~  {( G( @& j" j& B9 h  W% W4 A
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
2 w# Z, R% Z4 S# q
$ {' c7 F: t4 ?6 m  d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
% _/ i" i* s) F: h! f8 b/ v) f
3 {7 o* K7 d$ n! c我想用
* c' i7 f1 G. B1 OI(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
: c) s$ c- w$ t. n; o這個公式來解釋吧！) D) D, U5 S( ^) J! H; n

5 G- j1 R4 s% \/ {4 |/ R[attach]17989[/attach]# p: L; G$ V2 B: U% h6 I, H$ [
                          ↑圖一; b  {% T/ `' M$ S

6 V+ f  ^* \, a1 t0 Z如圖一，Source與Drain之間的通道厚度為Xc$ h: V/ }" y/ f% F  x
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)
7 B! n1 w; i0 c, a: ~! ~: F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
4 w) E; q" A: S, j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); f' X& _1 ^+ W0 N  K
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
+ E3 }% `% z( P- l2 x
* y) X: h: f7 ^- G所以整個通道的電流(忽略漏電流)為1 d9 Z: i& I0 p& @0 T6 n
I=(Jdiff+Jdrift)*Ac
/ L# X4 I3 `* \2 T通道截面積Ac=W*Xc! M% Z$ ^" s3 N# O
因此
( s3 u" y% @0 ^I=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc* f9 f0 i- c+ r1 \2 m1 K- a+ j

; a9 E% `3 N0 ?  k  M& |; L0 `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9 e3 K. ~9 w8 C+ d1 {* z
但也因此就必須佔更多的chip空間) z' C+ k& h" e; J. d9 i$ i
那有人乾脆讓通道長度L變短，這樣就不會加大Ac- d  x! ]" Q' h  [7 r* a
但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L
2 s# c: C8 D5 E# I& P4 o7 n6 h所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
) `% j+ i0 [5 q  j6 e  g- P$ d) z# F4 b; l
結論就是5 h3 O! [( {, @' ]- E7 [
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4 i1 \; y) n  t" j- q( U' C6 o
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
1 g1 h) S1 b8 }$ E0 G. F
" d0 G3 K5 c+ M& |( Y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- u' H! K' P* `6 r
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)
- K& Q# R9 B6 C* f  `2 [你可以看一下飽和區的電流
0 \' Z1 V6 C- y, b  DId=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
9 O4 M" w2 J: A  L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
' J; [4 g  W- ?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
3 J4 s. t& M+ `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- o, ?5 C' E3 a/ ^* B
+ Z& L- F2 T# ~
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
$ J8 E& Y/ r; g- |! y6 y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 1 B' k4 B+ S. i3 f
# V* }7 q6 d; g  G* [
順便一提，如果考慮通道長度調變，那Xc就不是定值0 I. x9 I* y0 J. c
至於怎麼算，就看你在Source跟Drain端量到的通道厚度來推估了6 n/ N, K- D% I7 G2 V1 z
假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
! M) R! g7 m4 U8 I* ]+ Y9 [比方說# B! `' \9 K( h2 i8 q
1. Drain端沒發生pinch-off，在x=L處Xc=Xd
$ ]3 K" L/ w; V4 p/ N那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]  W9 Z. z& Z4 Z5 `5 M7 ?

# c- [6 t" {/ K1 N" L. V* R; K( h7 ^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$ A  \7 R) b& K/ }- B0 w8 A+ n
那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)], R3 C: f" O' j) T% v5 M

$ N( w& b: x) j: r4 H6 v3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)
9 m# `6 [4 F. F! V9 l那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]- d0 _/ A! f% W( h

. E; K* ^- d9 ~' P6 i* y希望對你有幫助
作者: m851055    時間: 2013-1-25 02:40 PM
Dear card_4_girt, f; ?2 l& \5 b4 K$ b, u
感謝您的幫忙。感恩！
作者: alienwarejian    時間: 2016-5-14 07:31 AM
:谢诶
0 t) W/ g$ R- t谢谢



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