MOS 額定電流問題

m851055

各位線上前輩：
請問MOS 額定電流是否與MOS面積有關？
2 R" _8 q, Q2 S* ^2 K面積是指MOS的L*W*M 嗎?
& \3 @& [4 O8 y7 b: p那額定電流計算式為何？
2 V  t5 N2 R8 Z! O

alienwarejian

:谢诶
5 A+ @& h6 i; {" B. d9 j5 {# [谢谢

m851055

Dear card_4_girt
感謝您的幫忙。感恩！

card_4_girt

$ v/ R5 |' A; U: W# D
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
/ w8 h( E$ d7 q1 V" [假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
+ j) Z, |* y# ?! j: U比方說
1. Drain端沒發生pinch-off，在x=L處Xc=Xd
( r: |3 w6 X) u  O: {那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]

- O) F' C$ L7 g7 Q6 ?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
& R8 r, S) q6 m( w& `那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]

6 e4 C( a( y/ A2 V" n  _( J9 N3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)
% J6 `- N' N" }) j; D: O, W那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]

+ F/ f8 N6 H* V希望對你有幫助

card_4_girt

我想用
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
: R5 s4 n' J2 \9 U6 P這個公式來解釋吧！

- X# L/ X" [4 y% X. q
6 \$ S! x/ B6 r. ^$ D                          ↑圖一

7 E" p. |$ ?$ O" a/ k& p( S如圖一，Source與Drain之間的通道厚度為Xc
! r# Q4 b1 l( v& h9 y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)
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
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
2 }5 u- E7 Y' K
所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
/ {8 a+ r+ x+ z# Z7 D& ?8 AI=(Jdiff+Jdrift)*Ac
通道截面積Ac=W*Xc
因此
I=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc
+ S/ |7 t2 v% W# f7 A
( ?% J5 p# ~5 f$ e: G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
2 A% x1 G% S; x$ H" t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
2 ?2 S- Z1 ]+ H# r" D: h- P! z但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L
. ]: D' y- n- \0 I- D  U1 s: s  N所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
% Z; y7 W% e9 a! R" b, U
結論就是
, T! g! v8 O4 k. o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
: s: I5 b! k: f4 d. B; ?; D( D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

- z2 W. k3 l8 C9 ^- }. s2 O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
' ?0 x) z! |0 P2 X9 T) j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
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
) r8 f3 Q+ Q3 x* G8 N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
% O# }: v; g; }5 B9 Q2 D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 Z/ V. y* j! R; N+ s; [( 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

/ u5 T2 }6 k; Z& D5 j& ~$ \# h) ]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

m851055

Dear card_4_girt
) k% a8 X1 u" s' r8 d2 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，

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

# a0 y  Y$ E+ R  n1 g其關係為何？

card_4_girt

& ?6 q. [2 V1 |  m2 ]- T9 P& `
昨天打太快沒有注意到，有關上面提到的
4 O5 n: t5 G. ?( z  h9 y: X1 zId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
應該改成
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]
) l" j& f, d1 `% J2 m
Vth是臨界電壓(threshold voltage)
Vt則是熱電壓(thermal voltage)
; z/ X. U% ?/ p# N4 B: M9 C但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
% t- H7 z: d7 h' b1 V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)]
, A( D. b. n% L$ i裡面的phi_p就跟溫度相關
: j- ^8 m/ r, V5 P: |+ D9 ]; A
下面這篇文件就會提到Vth的部分
) @$ x0 n, c% K( R+ [0 I
下面是整個敘述場效電晶體的

而下面則是含熱電壓的部分，可以直接看第38與39頁
( r% S0 x% ^7 X2 E9 q6 b/ D

4 V% \; ~; M7 a( a" _+ |, G, _希望對你有幫助

card_4_girt

3 N8 i4 b$ ^5 D" {- ~1 T$ ^8 z4 P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
-------------------------------------------------------------
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
: y' ]& K% O* S5 T% S& C, {4 YL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
& D1 k. q/ ]9 i0 s$ T, ]0 M( V
1 }/ l8 {2 c9 ]' N" R) t1 Z↑圖一
& L7 W- `# T* C5 v
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
至於M值，不清楚你指的是什麼
如果是spice的M那是指元件並聯的數目
  h4 C# ]% U* a5 w5 U* s如果是
8 T; h2 A# M4 G9 U' OId=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
! Q2 ~+ B  U7 V. E" Q% tM=un*Cox(un:電子漂移率)
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
4 U3 ?) ]  O. l( u7 }這時令Vds=Vgs-Vt，則上面的式子就變成
& X5 a% P$ f* BId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
# p0 D" Y; w" U, W! w  `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
1 G% K- i7 m1 q- ~0 f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
# Y+ j. w1 {( Y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

- d4 x2 B& c1 s0 V5 m( m4 @所以會影響MOS額定電流的因素至少有
6 M3 c( z9 ^" s, o4 f1. 截面積(W或L改變)
2. 溫度
3. 氧化層厚度
0 v# i4 }$ C4 [+ J$ }4. 基底(Substrate)濃度
. p, R* ]/ Q6 K# B5 S  _5 E& G5. 閘極對源極的電壓(Vgs)
% |) G. p* D5 y9 m( {' b
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
  |( V6 u5 F1 g% Z2 |7 z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
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)
2 r6 C  d0 X" p& {
' P  B" V  a; \3 A; p7 l, A; I只是下面文件中的算法，較為簡潔也實用
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
) I) c. q8 N/ l! |因為MOS導通後會有Rds(on)，所以
9 V" x3 o! ^: |2 Y% f0 [; h" j% oP=(Id^2) * Rds(on)
" t& o; ?3 A% Y  F3 C% Z8 ?如此求得
  T6 X0 w8 p( i. X% b  TId=sqrt[(Tjm-Tc)/(Rth*Rds(on))]
/ y9 G- K, i, o2 [& F) p這裡的Rds(on)是指在溫度為Tjm情況的導通電組
" U- p6 b4 U) h0 o. y8 R
2 i) l9 F* f  N3 M. c/ o以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你



3 K( O% D" L2 n9 E* j2 L5 f1 ^