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？
面積是指MOS的L*W*M 嗎?
; t$ g3 X% y& Z+ Z8 @/ d# Q那額定電流計算式為何？
5 V1 _/ h2 V/ ?. \3 ]* V! _

alienwarejian

:谢诶
$ {# [8 }. E- f, j# R  W; e谢谢

m851055

Dear card_4_girt
1 A: d( l# d! }# l感謝您的幫忙。感恩！

card_4_girt

8 a# T9 z  h! T- o+ r
# J/ q) P6 t- }& c順便一提，如果考慮通道長度調變，那Xc就不是定值
% A& g+ W$ G# f2 s/ h! \" F至於怎麼算，就看你在Source跟Drain端量到的通道厚度來推估了
# u9 D* [& H" X/ @假設已知Source端(x=0)的通道厚度為Xc0
) \( @- f, w( a% N: w比方說
" x# ?% b7 S+ L$ e& o. J" U8 O1. Drain端沒發生pinch-off，在x=L處Xc=Xd
那麼Xc(x)=Xc0-[(Xc0-Xd)*x/L]
+ l- y6 s7 O" B/ j
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
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)]

希望對你有幫助

card_4_girt

" e4 ?; [  ^6 x: E  D6 J我想用
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
4 k, B6 L9 E8 b5 Z8 V# F, Y, ~' x這個公式來解釋吧！
0 k% Q& o- i' @3 b% l- f
$ n' E, s+ x9 \$ w# w# O
: O! e, ~* }) l* p1 y2 V                          ↑圖一
9 S. Q7 O& V; F0 ~& V3 A
1 ^: J: S# d; @* \, Z# F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)
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)
! v! {; R, G' j5 A. A% W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. E. {0 b# ^: `1 ^4 i+ V
所以整個通道的電流(忽略漏電流)為
I=(Jdiff+Jdrift)*Ac
通道截面積Ac=W*Xc
: O8 i2 q# D1 L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
, m; F- a. S' j8 }7 U' X但也因此就必須佔更多的chip空間
( @# L1 h3 ^- A& n- ^那有人乾脆讓通道長度L變短，這樣就不會加大Ac
( w, f# U  y% b7 H- }: N但因為Gate面積(或Oxide面積)為Ag=W*L
$ p' ^; Y' ?; J- T( j. b4 K$ i0 f9 [所以通道變短的話，需要的Gate面積就愈少
8 @0 ]" Y  a* X0 D  T8 ~" Z' x/ U
% F5 t" h/ w4 _. H, e" L* D結論就是
: H( i' _5 n" m5 K6 G# k" g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

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)
& S/ b/ K$ w% z你可以看一下飽和區的電流
, E* g0 m, b  f! r/ i6 J- K5 {; tId=M*(W/L)*(Vgs-Vth)^2 (不考慮通道調變)
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
$ X) f5 E* q# J4 q8 C: F+ j& M' T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

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
$ O7 m: H! b5 {" g( k1 r/ M% E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

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，
1 _# F3 \- u5 }1 v3 M( M+ H
2 C, h& B, L. Z" `4 T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
) V- Q! j. c0 f' d' O
2 D! q. l5 w$ k9 W- A$ V2 r其關係為何？

card_4_girt

5 ^2 c9 q3 {7 L3 `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
' ]. b% s4 R# O1 I# I) WId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]
& b. Q  j1 O& l0 a3 c4 h$ s- Y
Vth是臨界電壓(threshold voltage)
Vt則是熱電壓(thermal voltage)
但的確Vth跟Vt都會受到溫度影響改變
0 K, S3 t" v5 C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)]
- V/ C3 h# u7 K; \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
: I$ u* i3 r8 N
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
9 r; r7 D& v5 [
8 s" A. o" w& |' g
4 T2 r1 V- D7 \& X& I/ M希望對你有幫助

card_4_girt

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
L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
! S! z' b; a- ^
6 U7 S- f( U* `% Z5 j↑圖一

2 o' @" g$ I$ a/ ^6 b2 P& J0 E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
2 q/ g" x& }8 j8 o8 _至於M值，不清楚你指的是什麼
. A3 z5 P4 d: {9 k& J( j5 v如果是spice的M那是指元件並聯的數目
  m$ v: w4 Z, q9 H3 O4 [2 u1 M如果是
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
6 [9 w/ J1 U4 U; z* x0 ~# E' A1 Z  }M=un*Cox(un:電子漂移率)
那就更不可能與截面積有關了

+ B0 C8 D' M( ^7 j- |  z9 w7 C/ O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
" h3 f) ]! ]6 y6 ]7 H8 S( d- B: B# j0 T這時令Vds=Vgs-Vt，則上面的式子就變成
" F8 t2 i5 p# P( k3 a+ i  D. jId=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]
2 k6 ^0 p# X2 [+ w2 X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
2 X  y9 Z6 c( 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
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

1 b6 f2 i/ p  w$ _/ d8 Y" i! Y% f% l7 [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)
2. 溫度
: Y# {) B# y2 X6 S3 g9 Q4 P5 M. x3. 氧化層厚度
7 D' y' ~( |7 d. c' Z4 s! R, F5 s4. 基底(Substrate)濃度
5. 閘極對源極的電壓(Vgs)

$ u" q6 @7 w. O  ~; o' \如果連通道調變也算進去
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vt)^2]*(1+lambda*Vds)
& ?5 }8 }( |, t7 u% k( ]& 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
0 q: M) r1 B3 k" F, I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
2 _( [0 b: r0 A" `/ l7 X8 L' [# b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)

# r1 D' B) B& s7 n( _5 Y9 D: W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
* i2 C" S/ C2 PP=(Tjm-Tc)/Rth
因為MOS導通後會有Rds(on)，所以
P=(Id^2) * Rds(on)
( e* u8 _- n# R8 t9 S3 l如此求得
Id=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

以下是幾份文件檔供你參考，希望能確實幫助你
/ H4 t. e5 L8 A( V9 m

+ Q  V2 W5 X5 D

, d/ }/ M" P9 H9 ?$ Y: v% R