Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

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