MOS 額定電流問題

m851055

各位線上前輩：
0 D0 d* Y# ~# t4 ^$ s# S  F請問MOS 額定電流是否與MOS面積有關？
面積是指MOS的L*W*M 嗎?
那額定電流計算式為何？
  N. A, t' b0 p7 Q, X
3 j. m( d3 v2 L' y' S5 \

card_4_girt

/ @( t+ f7 E+ o: h( n" g* O' t; 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
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* v( h3 L/ h, o, h, K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
, p( @- q6 y9 K/ c5 wL為通道長度
W為通道寬度
所以W*L為閘極(Gate)的截面積
而氧化層(SiO2)的厚度為tox
& W9 p% g# C/ Q% O/ g* c. Y# R2 a! F( ?
↑圖一
9 F$ ]# B+ _' {9 s
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
, ?/ R4 B* k0 R至於M值，不清楚你指的是什麼
# f9 k  X$ ^. K' k+ }1 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
1 R, w4 @: [% }$ IM=un*Cox(un:電子漂移率)
2 G/ B; s6 ?6 e1 t, T% T那就更不可能與截面積有關了

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
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
( N3 Q; E" A5 Q! e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
2 H% F6 ^  [. i5 T# c+ N! a
# s. O2 G1 O' l8 Y% L: A所以會影響MOS額定電流的因素至少有
5 f& ^7 ?' ~* S: d$ }0 Q8 U9 @1. 截面積(W或L改變)
2. 溫度
& `! q4 P  w% B% o0 ^' x# R3. 氧化層厚度
6 F$ @( `" P& G2 u4. 基底(Substrate)濃度
5. 閘極對源極的電壓(Vgs)

5 N+ e2 \* ~7 O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
7 p7 R5 e/ _  \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
; p3 A- y6 R7 y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)
(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)
/ F  @( C7 k' L, p) W( {
  r+ G8 l/ f) L只是下面文件中的算法，較為簡潔也實用
  c7 {- h! W6 ~& P, e2 M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
# l, P6 i" {, @! ]2 H$ UP=(Tjm-Tc)/Rth
7 |: l* c; t$ d- x) M因為MOS導通後會有Rds(on)，所以
P=(Id^2) * Rds(on)
如此求得
& M# ?5 ?. f1 h" nId=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
' [2 E! I& Z# d' ]& u
7 w; j4 T# g7 P2 A- e5 ^+ p以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你


% G* u0 J; ^5 L3 f# M

% V9 V( i9 P$ R# q- t- v, [

card_4_girt

, N7 n) J% @1 K5 D' Y# y$ n, \2 l
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]
應該改成
% m. g5 B% ?2 AId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]

% j" z9 a: G0 O! i& j: ?  _5 ~Vth是臨界電壓(threshold voltage)
+ M5 W0 o) N6 u2 ^5 M( tVt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)]
8 L1 {- r" z( J6 d裡面的phi_p就跟溫度相關
  J# ]/ G  |9 y+ I9 [
下面這篇文件就會提到Vth的部分
7 c9 D8 c& f% @8 x* Q/ ]8 p$ h
7 T( l0 L' I1 Q* ]1 l5 N下面是整個敘述場效電晶體的
& }$ F/ y6 g  o3 e
而下面則是含熱電壓的部分，可以直接看第38與39頁
( a8 X0 z& a0 P
1 ?$ H0 R+ b( D
希望對你有幫助

m851055

Dear card_4_girt
' M+ _+ M: T, R" G
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，
! B% c6 ?$ \4 z' k
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 j# E* n/ [: R3 r, E8 i' d! ?5 X) t
其關係為何？

card_4_girt

% X# {' D. H' w. ?5 Z  I我想用
9 N% T5 N2 g! c5 C: l& i4 iI(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
# u& s, J- ~& b, h+ v這個公式來解釋吧！
9 n3 X* n8 v9 p. k" p

# W) b# ]0 N) \4 H! @9 \6 C                          ↑圖一

如圖一，Source與Drain之間的通道厚度為Xc
% N  C  Y) t7 F5 f! l8 f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)
0 K! f2 W* j  L* |8 `) d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
1 _7 i8 M. k( Z  Z1 T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)
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
+ o. X# @5 ^, |  ]/ W) Y; K
所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
% Q- M$ T* O4 a( S; Y/ QI=(Jdiff+Jdrift)*Ac
/ A  g! [1 u" a7 n9 d; F通道截面積Ac=W*Xc
" D& p1 I5 U4 r: Z3 t因此
5 d' K: M. T- A0 l" \* r8 @8 lI=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc

& T7 ~9 ?4 |+ c+ l, q: t7 X1 m' f7 @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
+ c6 `6 v7 k5 N1 x& k# y但也因此就必須佔更多的chip空間
  @9 f. d  a  w6 g* J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
! ~0 k" _8 K( m所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
5 R; D9 x" b% z% F0 i
結論就是
' K" }' U8 j$ s5 t; R% u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
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
8 H% Q# `' s$ l& }2 a3 i5 K
8 J% o5 }' [* u+ c  G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)
你可以看一下飽和區的電流
. s1 E3 @1 ~1 d$ V: pId=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
; |6 f+ O" l7 j8 Y0 I, B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
& T3 Z: e( O$ b1 }7 Q/ @
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
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

! K) \/ A% o- E" Q& c0 e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
1 |: e* X) o* l# R假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
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]
2 S# s( a( g( [* p
# Q9 f8 k7 C4 \4 K# U" c% y0 u2. 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
# Z4 A8 ]. B/ d那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]

3. 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)]
( L5 ]- I  H2 |- Y0 y! R6 q) y6 H8 u
8 p7 m7 P- Z1 p. C/ ]" _, I$ o希望對你有幫助

m851055

Dear card_4_girt
感謝您的幫忙。感恩！

alienwarejian

:谢诶
; q1 C( i/ B. _谢谢