Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...
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72 Kapitel 4 Statisches Verhalten <strong>von</strong> SJ‐LDMOS‐Transistoren<br />
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Mit zunehmen<strong>der</strong> Temperatur verringert sich die Einsatzspannung. Die Tempera‐<br />
turabhängigkeit <strong>von</strong> UGS(TH) rührt <strong>von</strong> <strong>der</strong> Temperaturabhängigkeit <strong>von</strong> Eg und ψB<br />
her. UGS(TH) hat im Gegensatz zu RDS(on) einen negativen Temperaturkoeffizienten<br />
(typisch ≈ ‐1 mV/K [TN98]). Diese zwei gegenläufigen Temperatureinflüsse haben<br />
zur Folge, dass bei einer bestimmten Spannung UGS <strong>der</strong> Drainstrom als Funktion <strong>der</strong><br />
Gate‐Source‐Spannung temperaturunabhängig ist. Das heißt, alle Transferkennlinien<br />
mit <strong>der</strong> Temperatur als Parameter schneiden sich in einem gemeinsamen Arbeits‐<br />
punkt K, welcher leicht höher als UGS(TH) liegt. Durch die Wahl dieses Arbeitspunktes<br />
K erreicht man, dass die Abnahme <strong>von</strong> ID infolge <strong>der</strong> Beweglichkeitsdegradation und<br />
Zunahme aufgrund kleiner gewordener Einsatzspannung sich gegenseitig aufheben<br />
und damit <strong>der</strong> Temperaturkoeffizient zu Null wird. Bei kleinen Werten <strong>von</strong> ID ist die<br />
Temperaturabhängigkeit <strong>der</strong> Einsatzspannung deutlich ausgeprägt, deshalb nimmt<br />
ID mit wachsen<strong>der</strong> Temperatur zu. Überschreitet ID den temperaturunabhängigen<br />
Punkt K, so dominiert die Temperaturabhängigkeit des RDS(on) über diejenige <strong>der</strong><br />
Einsatzspannung, und es erfolgt <strong>der</strong> Abfall des Drainstromes mit <strong>der</strong> Temperatur.<br />
Da über den Punkt K hinaus <strong>der</strong> Temperaturkoeffizient <strong>von</strong> ID negativ wird, verhält<br />
sich <strong>der</strong> SJ‐LDMOS im Hochstrombereich thermisch stabil und dadurch im Vergleich<br />
zum Bipolarleistungstransistor eine geringere Verlustleistung erzeugt wird. Dies<br />
lässt sich darauf zurückführen, dass das Ansteigen <strong>der</strong> Temperatur mit einer<br />
Abnahme <strong>der</strong> Ladungsträgerbeweglichkeit verknüpft ist. Das heißt, wenn lokale<br />
Wärme auftritt, reduziert sich <strong>der</strong> Strom in Verbindung mit einer Anhebung des<br />
Wi<strong>der</strong>stands <strong>der</strong> Drain‐Source‐Strecke RDS. Diese negative Rückkopplung zwingt<br />
den Strom, sich gleichmäßig über den Siliziumwafer zu verteilen. Aus diesem Grund<br />
wird eine lokale Überhitzung, also <strong>der</strong> sogenannte Hotspot‐Effekt, ausgeschlossen und<br />
die Leistungs‐MOSFETs sind thermisch stabil. Dieser Selbstschutz gegen<br />
Überhitzung wegen des negativen Temperaturkoeffizienten ermöglicht die<br />
Parallelschaltung mehrerer Transistorzellen auf einem Chip.<br />
Hohe Steilheiten <strong>der</strong> Transferkennlinien deuten auf gute Verstärkereigenschaften des<br />
Transistors hin, sie sind <strong>von</strong> großem Interesse, wenn <strong>der</strong> Transistor im Sättigungsbe‐<br />
reich arbeitet, wo eine Än<strong>der</strong>ung <strong>von</strong> UDS keinen großen Einfluss auf sie hat. Als<br />
Vorwärtssteilheit gfs bezeichnet man den Differentialquotienten:<br />
⎛ ∂I<br />
⎞<br />
= ⎜<br />
(4.15)<br />
D g fs<br />
U ⎟<br />
GS U DS<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎝ ∂ ⎠<br />
Sie ist ein Maß für die Empfindlichkeit des Drainstromes ID auf die Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
Gate‐Source‐Spannung UGS. Im Sättigungsbereich ist gfs nach Gl. (4.4) gegeben durch<br />
∂I<br />
= C′<br />
bv<br />
(4.16)<br />
DSat g fs = ox Sat,<br />
n<br />
∂U<br />
GS