Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

Kapitel 5 Dynamisches Verhalten von SJ‐LDMOS‐Transistoren 155
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Zum Bestätigen dieser Aussage wird das UIS‐Verhalten beider SJ‐Strukturen bei
zunehmendem Avalanchestrom in Abb. 5.32 verglichen. Bei kleinerem Strom werden
die Schwingungen mit der Zeit gedämpft, bei hinreichend großem Strom hingegen
so fortdauernd verstärkt, dass man auf eine baldige Zerstörung des Transistors
aufgrund thermischer Überlast schließen muss. Ersichtlich ist abermals, dass die
gleichförmige SJ früher in den zweiten Durchbruch eintritt als die ungleichförmige
SJ. Zu erkennen sind auch Oszillationen der Drain‐Source‐Spannung während des
Abschaltens. Das Schwingungsverhalten des Bauelements ist dem TRAPATT
(Akronym für Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit)‐Vorgang analog [PCW67],
in dem das Anlegen einer Impulsspannung mit ausreichender Steilheit dU/dt an
einen pn‐Übergang ein Elektronen‐Löcher‐Plasma erzeugt, das wiederum durch das
niedrige elektrische Feld eingefangen wird.
Die TRAPATT‐Schwingung der Superjunction‐Bauelemente stellt sich wie folgt ein
[Sch05]: Nach dem induktiven Abschalten erzwingt die Induktivität L das
Weiterfließen des Stroms durch das Bauelement. Zuerst fließt der Strom als ein Ver‐
schiebungsstrom, welcher die Drain‐Source‐Spannung bis zur Durchbruchspannung
anhebt. Wird die Durchbruchspannung überschritten, kommt es zur Generation von
Elektron‐Loch‐Paaren am Ort maximaler Feldstärke. Die Spannung und damit auch
das elektrische Feld sowie die Generationsrate steigen aber solange weiter an, bis
eine ausreichende Anzahl von Ladungsträgern generiert wurde, um den von der
Induktivität erzwungenen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Durch die Ladung der
zusätzlich generierten Elektronen und Löcher bricht das elektrische Feld zusammen.
Das Absinken der elektrischen Feldstärke erfolgt dabei so erheblich, dass zunächst
ein Plasma in der Driftzone zurückbleibt. Elektronen und Löcher werden dann durch
das verbleibende niedrige elektrische Feld aus der Driftzone herausgezogen,
dadurch steigt zunächst der Avalanchestrom bei gleich hoher Spannung an. Erst
wenn die Ladungsträger an der Grenze der Raumladungszone eintreffen, nimmt die
Spannung ab und damit auch die Generationsrate am Durchbruchsort. Dabei fließt
trotz geringer Spannung ein hoher Strom. Sobald das Plasma abgesaugt wurde, sinkt
der Strom, die Spannung hingegen steigt wieder auf den maximalen Wert, und so
setzt der TRAPATT‐Vorgang erneut ein. Unter ungünstigen Umständen können aber
die am Durchbruchsort erzeugten Ladungsträger auf ihrem Weg zu den Kontakten
einen sekundären Stoßionisationsprozess einleiten, insbesondere wenn sie durch ein
Gebiet mit hoher Feldstärke laufen. In diesem Fall verstärkt sich die TRAPATT‐
Schwingung, bis es letztendlich zu einer Zerstörung des Bauelements kommt. Zur
Dämpfung von TRAPATT‐Oszillationen sollte deswegen die Avalanchegeneration
auf ein schmales Gebiet begrenzt werden.