Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

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158 Kapitel 6 Zusammenfassung _________________________________________________________________________________________________________________ und Durchlasswiderstand im Vordergrund stand. Es zeigte sich, dass ein niedrigerer Durchlasswiderstand durch Erhöhung der Driftzonentiefe bzw. des Zellabstands nur bis zu einem gewissen Grad erreicht werden kann, ansonsten geht er auf Kosten einer Verschlechterung des Sperrvermögens. Immerhin ergaben die Simulationen, dass für beide SJ‐Strukturen das statische Verhalten bei optimierter Auslegung vergleichbar ist. Bei hexagonaler Säulenanordnung bewahren sowohl die gleichförmige SJ als auch die ungleichförmige SJ zwar ihre entsprechende Sperrfähigkeit, sind aber in ihren Durchlasseigenschaften schlechter. Im Allgemeinen weist die gleichförmige SJ aufgrund niedrigerer Säulendotierung einen leicht geringeren Durchlasswiderstand auf als die ungleichförmige SJ. Die Simulationsberechnungen der Durchbruchspannung und des Durchlasswiderstands bei Variierung der Kompensationsgrade in der Driftzone und in den Säulen führten zu der Einsicht, dass eine Verletzung der Kompensationsbedingung insbesondere in der Driftzone den Durchlasswiderstand entscheidend beeinflusst, und dass die Durchbruchspannung stark unsymmetrisch auf einen Vorzeichenwechsel der Kompensationsgrade sowohl in der Driftzone als auch in den Säulen reagiert. Die gleichförmige SJ ist hierbei gegen eine Variation des Kompensationsgrades empfindlicher als die ungleichförmige SJ. Dies begründet sich in der leichteren Verschiebung des Durchbruchs der gleichförmigen SJ auf einen schlechteren Durchbruchort. Bei der Untersuchung des Schaltverhaltens wurden unter der Annahme, dass der Kompensationsgrad in den Säulen einen Wert zwischen −10% und +10% hat, drei Fälle betrachtet, nämlich Kompensationsgrade von −10%, 0% und +10%. Es wurden transiente Simulationen der Schaltvorgänge bei einem rein ohmschen Lastkreis und dann bei einem induktiven Lastkreis mit einer Freilaufdiode und einem Freilauf‐ zweig durchgeführt. Zur Prüfung der Betriebsfestigkeit wurde der Superjunction‐ Transistor einem DRS‐Test (Diode Recovery Stress) und einem UIS‐Test (Unclamped Inductive Switching) unterzogen. Es zeigte sich, dass sich die ungleichförmige SJ durch eine bessere Figure of Merit (FOM) und damit eine höhere Schaltgeschwindig‐ keit auszeichnet. Der Einfluss des Kompensationsgrads auf die Schaltzeiten ist auf geänderte Bahnwiderstände der p‐ und n‐Gebiete zurückzuführen. Das Schalten einer induktiven Last mit Freilaufzweig erfolgt langsamer als das Schalten einer ohmschen Last. Beim UIS‐Test hat sich gezeigt, dass die ungleichförmige SJ eine höhere Avalanchefestigkeit besitzt als die gleichförmige SJ. Unabhängig vom Kompensationsgrad kommt es beim DRS‐Test der ungleichförmigen SJ während des Sperrerholvorganges zu einem harten Rückstromabriss (hard recovery), wobei Oszillationen in den Strom‐ und Spannungstransienten zu erkennen sind. Das gleiche trifft auch für die gleichförmige SJ zu bis auf den Fall des −10‐prozentigen Kompensationsgrads. Bei einem Kompensationsgrad von −10% verläuft nämlich der Erholvorgang der gleichförmigen SJ sehr langsam und die Oszillationen sind sehr gering, in diesem Fall spricht man von soft recovery.
Anhang A Quantitative Abschätzung der Silizium‐Limits Eine quantitative Abschätzung der Silizium‐Limits von lateralen Leistungsbauelementen (LDMOS, RESURF und SJ) gewinnt man mit Hilfe der von Fulop [Ful67] vorgeschlagenen Bedingung für den Lawinendurchbruch LD 7 ∫ C⋅ E ( x) dx= 1 (A.1) 0 mit C = 1,8⋅10 ‐35 cm 6 V ‐7 dem Fulop‐Stoßionisationskoeffizienten. Des Weiteren wird die Näherungsformel für die Dotierungsabhängigkeit der Elektronenbeweglichkeit im Dotierungsbereich von 10 15 cm ‐3 < ND < 3⋅10 16 cm ‐3 verwendet [Sze81] µ n 4 ⎛ N = 2, 58 ⋅10 ⋅ 2 ⎜ cm /Vs ⎝ cm −1 12 D ⎞ −3 ⎟ ⎠ (A.2) Im Folgenden wird die Näherungsrechnung des jeweiligen Silizium‐Limits aufgezeigt. A.1 Silizium‐Limit von LDMOS‐Transistoren Die elektrische Feldstärke des LDMOS‐Transistors bei Spannungsdurchbruch ergibt sich aus Abb. 3.8 zu Ekrit Ex ( ) =− x+ Ekrit (A.3) 2L D
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