MOS 額定電流問題

m851055

各位線上前輩：
0 D8 t( |2 w" U+ S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？
6 T/ O& e* H0 m( b

card_4_girt

/ P6 X4 K- \: d8 m" ?& U' l
) [. b! U4 g6 o( I- `7 W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
. v. P. o0 i; g% K) A# c-------------------------------------------------------------
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
L為通道長度
# m* M4 h' A6 {4 X5 QW為通道寬度
: ]- e3 g& ]2 d  ]$ g  K0 C所以W*L為閘極(Gate)的截面積
7 y3 t2 l* t) u0 v而氧化層(SiO2)的厚度為tox

  @" B8 H6 K8 f6 |1 Q7 Q8 c↑圖一
1 P1 z( _8 s6 s5 m  Y8 F$ t
9 E& n; s1 i4 Q, x4 }  m. B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
8 X7 S9 [9 s) P  Q4 F+ N/ g8 P至於M值，不清楚你指的是什麼
  W7 o# }7 Z" Z& v/ }8 |如果是spice的M那是指元件並聯的數目
如果是
* e$ \: f; |, X2 J2 ZId=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
2 m' i" ]5 \7 M% U1 {5 A) FM=un*Cox(un:電子漂移率)
7 i5 e1 _) \: k8 z+ J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
6 S  P: e" M* H# |2 d3 ^# vId=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)
' y9 h- u0 p' Y3 J7 Y; i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
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
0 Y0 @1 l6 S1 P7 `2 L' k
所以會影響MOS額定電流的因素至少有
1. 截面積(W或L改變)
3 a1 X) a, [3 w* V$ y( S* q8 R2 A7 M2. 溫度
3. 氧化層厚度
9 t$ A, L; q( C4 Q" A$ e; A4. 基底(Substrate)濃度
5. 閘極對源極的電壓(Vgs)
0 Z( ~* c/ S3 q
如果連通道調變也算進去
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds)
0 P0 U. ?" f- l' g! O9 k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
+ s4 L& I  ^' O  v  n1 c: ]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)
% m9 Q# J& n% {5 L4 R, x: Y3 _(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)

1 W) R; O( _8 m5 I! v8 V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
因為MOS導通後會有Rds(on)，所以
1 s) E, u8 W8 W! c( ^P=(Id^2) * Rds(on)
如此求得
# d" n* a. \9 ~6 x, |* \- OId=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

* l; X# [2 ~/ l& A! l8 ~/ ~, j以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你

: u- ]/ O" F! b6 [6 c
% u" v8 g' }% l0 ^" P' P
/ k* g. T, F0 B; t2 [+ V
! ^; @+ H2 z1 E! t5 K

card_4_girt

: D5 `5 M- A& B" x, d1 h5 y9 \8 G4 j7 J
昨天打太快沒有注意到，有關上面提到的
( f3 Q$ w  u$ C2 i( U0 P4 r) y/ r! PId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
7 x) g/ J6 Z7 |, p應該改成
2 q) f. u. t4 s9 H+ S; p  s" pId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]

$ ]  g4 B2 t7 L# L4 x+ [2 h9 EVth是臨界電壓(threshold voltage)
1 w! A! g/ [( [8 j* p. g0 [1 NVt則是熱電壓(thermal voltage)
) a) d" n; C: ~! y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)]
( z. X/ K- }9 f# |* x- L裡面的phi_p就跟溫度相關

下面這篇文件就會提到Vth的部分
2 t9 S4 W' h6 ?% O
8 e  n: r1 H. J, ~* E下面是整個敘述場效電晶體的
$ F' q! `, a9 a) \/ u1 r
而下面則是含熱電壓的部分，可以直接看第38與39頁
0 ~) ~: v( g' m. e, u: W

4 _% f# |0 f+ q8 m7 v希望對你有幫助

m851055

Dear card_4_girt
+ o! _" m+ F; S9 ^2 ^
3 S2 i' [2 s4 f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，
* p% M2 s3 K% N7 N; X8 H0 Z3 j: }
9 w: [" Y( r2 ^# @" [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

其關係為何？

card_4_girt

; k5 k6 G* B: I, @2 J
8 ]' `- F- a/ ~2 ^8 c% s, a我想用
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
這個公式來解釋吧！
7 J* e# p8 m. ~1 \

# X8 T; q) j# I                          ↑圖一

如圖一，Source與Drain之間的通道厚度為Xc
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)
. e% |# f; g4 d* m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
; a7 h6 u* [+ N5 m4 c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

- u. t2 }6 t, d, V* D所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
! K- |, P9 q8 N7 N0 zI=(Jdiff+Jdrift)*Ac
6 H6 i$ g8 G! J- v# T+ T. x通道截面積Ac=W*Xc
5 x* w0 {: L/ W0 P* f1 j因此
I=(Jdiff+Jdrift)*W*Xc

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
! Y0 Z7 S: f( o% q但也因此就必須佔更多的chip空間
/ g! p: F4 s" v* Y3 @那有人乾脆讓通道長度L變短，這樣就不會加大Ac
0 d0 K2 ]5 S- @: s( ^- ]3 B# i但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L
所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
/ Q+ W" }( ]6 i  h1 U& N0 X
" R' c9 r/ d+ N( ~0 ^7 E結論就是
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
, C& \- Y& z6 F' f8 y# Q* t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
$ n7 Y# k, j; l& |$ g4 l
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)
1 V8 D& W% Y. D; n3 {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)
1 Q" |6 a! q: Q7 |/ e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
- k2 E  h7 p# B7 I4 ~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
( v" n) b2 ]9 m0 W$ [- D8 L
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
3 S! t; z4 x# O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

* U, E, z* Q) N. M/ f1 s
順便一提，如果考慮通道長度調變，那Xc就不是定值
' h7 ~1 [, p9 Q) 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
' U% Y* G+ I5 l0 y3 v假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
% w! j/ e0 x- ~: B' }比方說
( b1 F. q3 ~8 l3 {) h+ `1. Drain端沒發生pinch-off，在x=L處Xc=Xd
那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]

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
1 z1 F/ ?) l# {1 [; i  z那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/L)]
- x+ \8 i9 b3 W. d- i7 C' |+ {
3. 如果還沒到Drain端就發生pinch-off(在x=Lp發生且Lp<L)
9 E- _- v7 b/ L3 u: y6 _1 A那麼Xc(x)=Xc0*[1-(x/Lp)]

希望對你有幫助

m851055

Dear card_4_girt
感謝您的幫忙。感恩！

alienwarejian

:谢诶
4 d# m  r- B( j% B* C8 B谢谢