MOS 額定電流問題

m851055 · 發表於 2013-1-22 22:12:02

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?
那額定電流計算式為何？

card_4_girt · 發表於 2013-1-23 20:30:50

本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-23 09:09 PM 編輯

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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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

↑圖一

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
如果是
Id=M*(W/L)*(Vgs-Vt-Vds/2)*Vds
M=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
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
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

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
3. 氧化層厚度
4. 基底(Substrate)濃度
5. 閘極對源極的電壓(Vgs)

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
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)

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
P=(Id^2) * Rds(on)
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

card_4_girt · 發表於 2013-1-24 16:53:37

本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-24 05:07 PM 編輯

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
Id=0.5*M*(W/L)*[(Vgs-Vth)^2]

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
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)]
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

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

希望對你有幫助

m851055 · 發表於 2013-1-24 19:03:22

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，

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 · 發表於 2013-1-25 12:50:54

本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:30 PM 編輯

我想用
I(電流)=J(電流密度)*A(截面積)
這個公式來解釋吧！

↑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)
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

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
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
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
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

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
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)
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)
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

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 · 發表於 2013-1-25 13:48:37

本帖最後由 card_4_girt 於 2013-1-25 01:57 PM 編輯

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
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. 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

m851055 · 發表於 2013-1-25 14:40:10

Dear card_4_girt
感謝您的幫忙。感恩！

alienwarejian · 發表於 2016-5-14 07:31:44

:谢诶

谢谢

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