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[問題求助] MOS 額定電流問題

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1#
發表於 2013-1-22 22:12:02 | 只看該作者 回帖獎勵 |正序瀏覽 |閱讀模式
各位線上前輩:4 {/ l9 j' |. l7 x: p
請問MOS 額定電流是否與MOS面積有關?
$ I7 E$ B" Y3 g$ A# R面積是指MOS的L*W*M 嗎?
' K3 @+ w$ R2 D/ G那額定電流計算式為何?
, H; }' W' {3 C0 T8 s- ?- U8 p+ m+ e* @' h
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7#
 樓主| 發表於 2013-1-25 14:40:10 | 只看該作者
Dear card_4_girt
9 Q! z; g0 f# L7 I, X) m感謝您的幫忙。感恩!
6#
發表於 2013-1-25 13:48:37 | 只看該作者
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:57 PM 編輯
8 ~5 v; X4 g" J& F  J: K* n+ D1 R  B7 S3 y4 k* t
順便一提,如果考慮通道長度調變,那Xc就不是定值
4 D+ _8 C+ S& c: a3 [! F) W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 c6 Y2 ], E- W) y7 z% u9 I6 }! e假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0- ?* c1 g5 m+ D* P
比方說
& [- A' Y0 c; N! q7 ~0 q4 y1. Drain端沒發生pinch-off,在x=L處Xc=Xd
2 b: S( v$ i( \/ [, Q* s2 L" l3 i那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]
9 i" S5 M& J! m2 C" i+ {! p9 k3 @# Z3 q
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
9 @8 e7 H' e* W! l3 q那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]6 O4 J/ N( y( w0 |1 R0 U; {" F, d
2 a6 g% L) J, |$ U0 S$ Y
3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)6 K* Z) h% ]9 K0 h
那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]
1 o' q( b, p) _+ V1 r
- w  R6 T- R$ D6 a! e( p希望對你有幫助
5#
發表於 2013-1-25 12:50:54 | 只看該作者
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:30 PM 編輯
$ w/ k4 }: e, i. H
' l9 o9 N0 v. ~我想用& p6 c* P9 M6 d8 \
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
+ M) l) R, w2 w. `& o這個公式來解釋吧!. D7 t5 d9 l4 M: H. W7 D$ i; {. V+ j

- t; A; R  [, _- k% A- k
; l6 }% w6 A2 e" T# b+ s7 O                          ↑圖一! g' h8 V& F1 k+ h7 s" L
* X* _& T& m4 I$ E1 h* N4 j
如圖一,Source與Drain之間的通道厚度Xc
1 H! _7 U& A/ N; X7 q  {) l6 A, T1 r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)
8 D8 T% ^' c5 i( l, w, X# B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; G9 f0 }  K. Z3 b% c
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)
0 r. t- @8 b* g4 i4 [* d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* A/ G& M3 ~8 k; ]" s$ }
) x9 z! }/ |+ ^% `+ V2 q7 l
所以整個通道的電流(忽略漏電流)為5 w! ]* b4 I. U7 t
I=(Jdiff+Jdrift)*Ac
/ C5 U. x) H5 f& @& h0 b通道截面積Ac=W*Xc; I. B" g; {; m& x) h/ \" b9 [
因此
8 N) C0 [2 l' _5 l' A! v) vI=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc0 |, f" L# c- t6 q0 T/ E; t
% [# T6 X3 R0 |" z8 U
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 C; _+ E: `$ u2 d  h3 t" l/ E但也因此就必須佔更多的chip空間8 E) Z7 z/ l3 f  w
那有人乾脆讓通道長度L變短,這樣就不會加大Ac
! v3 f6 E+ p, q7 x- y0 y7 \8 c  R但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L$ ]2 `+ @3 k- G) m. m+ H& U
所以通道變短的話,需要的Gate面積就愈少
3 @2 \2 [1 l# x- B& ?% s) j& f" V  l7 A/ o/ ?9 V2 v4 r5 Z/ X; C
結論就是
  u, R- M$ ^7 Z( y$ q& ?6 d" S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: g" r9 g3 K2 S; \. E
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7 M0 m% `. j5 j, }* S
  m- U" J8 _/ r
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! R* u0 j* }9 {/ e: D, v
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), r9 _+ V- J- Q* G  L- i+ @
你可以看一下飽和區的電流
+ Q) F9 j0 c2 d& t3 E! g8 cId=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)5 W5 M: n: W% W- |
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
5 j5 l( p/ A% z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4 u; D) Q: p) u6 n) [
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* g6 T3 T( \$ F# l9 R* g# t

/ ]+ n2 m0 z( A9 Y0 G" p2 g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/ P: d0 m3 v5 g, L/ 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

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4#
 樓主| 發表於 2013-1-24 19:03:22 | 只看該作者
Dear card_4_girt5 ^6 C5 y; [8 i$ u) c
, }, U5 t) w$ f: A4 p6 [; D0 T7 ]
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,6 r  z6 L1 K' j* J4 e

3 q3 p1 f  U2 X0 S" i4 }& R4 J- X+ N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
7 ]: R8 Q- n2 H+ g, T7 c( O# a. w1 O0 Z  g! u, H! _
其關係為何?
3#
發表於 2013-1-24 16:53:37 | 只看該作者

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
: f, f3 J& L, k7 ~; I& Z/ Z5 Z5 f! {0 {* ]* W
昨天打太快沒有注意到,有關上面提到的
3 @# B2 _+ L4 j" UId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
3 G3 b, i2 f; w0 q' I/ @) R應該改成
0 \  o' q" k0 H4 ~+ WId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]
# U9 B3 H" m# s( J. I# {
8 E- B* o0 h' sVth是臨界電壓(threshold voltage); v! U- X7 X7 J2 J) t
Vt則是熱電壓(thermal voltage)3 T; m6 H1 q' f. y
但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
* `# G0 i7 O) u7 n9 ~, @, Q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 r5 K8 L- I4 O5 ?
裡面的phi_p就跟溫度相關0 w7 I: X' F4 q7 i* A

$ F: G' @7 z* i; U! e' M下面這篇文件就會提到Vth的部分
0 S2 ^/ m2 U4 S9 F% H1 O8 l. W3 I! y* ?
下面是整個敘述場效電晶體的
  ~9 k# q3 u$ S) y
  d' L7 p% ^' W! t0 ]+ j, s而下面則是含熱電壓的部分,可以直接看第38與39頁
7 a% l1 w6 j% ~
7 V, I  e% A& y% f9 _
6 L1 ^( f' C3 }9 O6 l! X1 [2 x+ S0 o希望對你有幫助

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2#
發表於 2013-1-23 20:30:50 | 只看該作者
本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-23 09:09 PM 編輯
/ [/ C) N5 R7 U8 J& M4 J. L3 C8 p; S  V; Y- ~
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8 ]9 k4 D9 @- s5 v! t
-------------------------------------------------------------
% h! m1 M" {/ j) L1 l4 @) b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
& c4 c7 \* B$ K2 m9 j& B; [# z! fL為通道長度" x* j) E! z/ R; I
W為通道寬度
' e5 c; w6 _1 o$ V% Y8 k8 M所以W*L閘極(Gate)的截面積7 u0 e: W3 x# l7 O
而氧化層(SiO2)的厚度為tox
: o. H5 z% d9 Z9 h' N) O/ W& a1 U- p3 \  A
/ \& A4 M3 b1 }2 @↑圖一
; |: G/ @/ s) E3 E8 g7 g+ c
$ W, u' U( _$ q+ 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
$ n9 }+ {, P/ z7 @至於M值,不清楚你指的是什麼+ K7 R' N3 |- r1 G, ~2 e  J7 u
如果是spice的M那是指元件並聯的數目
/ [+ b, x* ]) z7 `: ]* s如果是5 Z+ |! @6 Q  S
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
* L$ u3 }; H. I# w+ Z7 ~6 e0 MM=un*Cox(un:電子漂移率)1 C) R, b; L' C% R' e3 C
那就更不可能與截面積有關了6 m4 a; z! m: a
9 V' n2 C2 R1 [2 G4 |
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
7 _, a3 i- |  |; F+ G9 Q* H這時令Vds=Vgs-Vt,則上面的式子就變成3 j" n0 D  v( [7 V4 Y, ^5 s% V
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
0 e/ B2 m) u/ x+ j& a$ g) l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
3 {5 n. N% j  P) G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)$ v/ {- f5 ]/ Z* e
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 U; ?, s2 G! Q5 r
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6 V/ t& \/ X! P
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; r/ g3 M* b5 W% a7 k) b5 e

8 e0 J, F4 C) z所以會影響MOS額定電流的因素至少有! ]9 v# }2 D/ e5 }2 j  ?. c2 @
1. 截面積(W或L改變)
5 d4 n- `. j* v2. 溫度
) s1 A  \( \  h$ V; X/ K3. 氧化層厚度
8 ?/ t3 H5 m5 {% A" V4. 基底(Substrate)濃度3 Z. v5 h8 g9 Z- o
5. 閘極對源極的電壓(Vgs)( z- M! R% x) O- u' Z% ~8 E
; g. E" d6 Y, n) q) f7 H& D" C
如果連通道調變也算進去
2 N! P5 X* c' w, SId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds)
' ]5 s  L/ b3 X8 s* ]( p2 a  s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0 H) j: i3 Q6 M" T! Z% f2 Q9 B
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" J4 N& Q& i( E4 t! U, V( t# S
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)
) G  O9 {, W5 z8 f* w- f- ]" v9 x% o(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); p' m( q1 X. j- ^& b4 C0 D
4 [4 v+ F8 V. T' m
只是下面文件中的算法,較為簡潔也實用
# ^6 r" n( Q4 @& U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3 O+ f0 y1 T% W
P=(Tjm-Tc)/Rth
3 ?% f! L; M' h/ W因為MOS導通後會有Rds(on),所以% {* m' J$ M: d% L  K
P=(Id^2) * Rds(on)
' G0 {' G  K' [如此求得
" o# [! I# T0 C0 {5 f3 [8 BId=sqrt[(Tjm-Tc)/(Rth*Rds(on))], T( F' y) p3 a! G; S: _$ x/ `' v
這裡的Rds(on)是指在溫度為Tjm情況的導通電組$ K; w+ S+ z3 L' n& |: T, Q
- J1 d/ L5 }% Z+ K1 I
以下是幾份文件檔供你參考,希望能確實幫助你
0 {) R' Z3 W& J0 W2 d9 T( P" Y7 p! n/ G$ ?, }  L$ o( m
- @5 v' n3 v/ r2 O( q) R: T, ]& K0 a% K

5 C& T5 h' r% s7 q* @$ q/ \& T& F- q# n, v$ C

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