Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

62 Kapitel 4 Statisches Verhalten von SJ‐LDMOS‐Transistoren
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Mit weiter wachsendem UDS nimmt der Drainstrom immer schwächer bis zum Errei‐
chen des Sättigungswertes IDSat bei der Sättigungsspannung UDSat zu. An diesem
Punkt tritt die Geschwindigkeitssättigung der Elektronen im Kanal ein, das heißt,
das Lateralfeld längs des Kanals wird am Ende der Inversionsschicht dermaßen groß
(Ex > 10 4 V/cm), dass der Kanal gesättigt ist. Über die Sättigungsspannung UDSat hin‐
aus zeigen die Kennlinien unbedeutende Steigungen. Dieses Kanalverhalten ergibt
sich aus einem typischen Kurzkanaleffekt, der in MOS‐Transistoren kurzer Kanal‐
länge (LK ≤ 1 μm) vorkommt. Nach [KF90][Uye03] sättigt der Drainstrom gegen den
Sättigungswert IDSat, sobald die Drain‐Source‐Spannung gleich der Sättigungs‐
spannung UDSat wird:
Lv ⎡ K Sat, n µ
⎤
0
UDSat = ⎢ 1+ 2 ( UGS −UGS ( TH ) ) −1⎥
µ 0 ⎢⎣ Lv K Sat, n
⎥⎦
(4.3)
Hierbei kann der Sättigungsstrom IDSat im Sättigungsbereich wie folgt berechnet
werden:
( )
I = C′ bv U − U für UDS ≥ UDSat (4.4)
DSat ox Sat, n GS GS ( TH )
Der Sättigungsstrom wird also nur noch durch die Gatespannung UGS bestimmt und
damit gemäß Gl. (4.2) durch den Kanalwiderstand begrenzt. Anders gesagt ist der
Drainstrom im Sättigungsbereich hauptsächlich dem MOS‐Teil des Transistors un‐
terworfen, die Driftzone spielt dabei eine untergeordnete Rolle.
Die Situation lateraler Leistungsbauelemente im Sättigungszustand lässt sich am
einfachsten unter Zuhilfenahme einer LDMOS‐Struktur entsprechend Abb. 4.2(a)
anschaulich machen. In der Abbildung ist das Substrat der Übersichtlichkeit wegen
weggelassen. Mann erkennt, dass im Sättigungsbereich die Inversionsschicht in die
Raumladungszone der n‐Driftzone hinein greift. Die Erklärung kann wie folgt gege‐
ben werden: Angenommen, dass man zunächst bei Kurzschluss zwischen Drain und
Source (UDS = 0 V) eine Spannung am Gate anlegt, die größer als die Einsatzspannung
ist (UGS > UGS(TH)), so entsteht eine Inversionsschicht im Kanalgebiet, gleichzeitig
akkumulieren Elektronen im Überlappungsgebiet vom Gate über die Driftzone unter
dem Gatekontakt. Sowohl infolge der Zufuhr von Elektronen aus dem Sourcegebiet
in den Kanal als auch aufgrund der Diffusion von akkumulierten Elektronen in das
Kanalgebiet erstreckt sich die Inversionsschicht zunächst über die gesamte Kanal‐
länge. Legt man dann unter Beibehaltung der Gatespannung eine positive Spannung
UDS am Drain an, so bildet sich am Übergang zwischen dem Kanalgebiet und der n‐
Driftzone eine Raumladungszone aus. Da in der Raumladungszone ein starkes
elektrisches Feld herrscht, werden die in der Raumladungszone befindlichen
Ladungsträger aus der Raumladungszone verdrängt, gleichzeitig werden Elektronen
aus der Inversionsschicht in die Raumladungszone injiziert und danach ebenfalls aus