Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

Kapitel 4 Statisches Verhalten von SJ‐LDMOS‐Transistoren 83
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4.3 Sicherer Arbeitsbereich (Safe Operating Area)
In Anbetracht eines vernünftigen Rechenaufwands gehen die bisher untersuchten
Durchlass‐ und Sperreigenschaften von SJ‐MOSFETs von isothermen Bedingungen
aus, d.h. die Innentemperatur der Bauelemente, also die Sperrschichttemperatur Tj,
entspricht der konstanten Umgebungstemperatur Ta. Diese Annahme trifft in Wirk‐
lichkeit, insbesondere bei beträchtlicher Verlustleistung, nicht zu. Dort führt die in
den Bauelementen umgesetzte Leistung durch thermisch‐elektrische Wechselwir‐
kung eine lokale Selbsterwärmung der Bauelemente und damit eine Erhöhung von Tj
gegenüber Ta herbei. Die Erwärmungserscheinung kann man an den nichtisothermen
Ausgangskennlinienfeldern bei hohem UGS entsprechend Abb. 4.15 beobachten. Die
nichtisothermen Kennlinienfelder werden durch Erweiterung der Halbleitergrund‐
gleichungen um die Wärmeleitungsgleichung elektrothermisch simuliert, wobei das
Substrat der Bauelemente direkt über einer Wärmesenke liegt, deren andere Ende
auf konstanter Raumtemperatur (300 K) gehalten wird. Der thermische
Oberflächenwiderstand zwischen der Substratoberfläche und der Wärmesenke, d.h.
der reziproke Wert von λ (siehe Gl. (2.79)), nimmt dabei den Wert 0,2 cm 2 K/W an 4 .
Wie ersichtlich ist, decken sich für UGS = 5 V die nichtisotherme Kennlinie und die
isotherme Kennlinie, was eine noch sehr geringe Temperatureinwirkung impliziert.
Bei UGS = 10 V hingegen wird eine Abweichung zwischen den beiden Kennlinien be‐
merkbar und weist darauf hin, dass sich die Wärme in den Bauelementen entwickelt.
Dabei sinkt der Drainstrom als Folge einer temperaturbedingten Abnahme der
Elektronenbeweglichkeit. Erhöht man bei dieser hohen Gatespannung UGS = 10 V die
Drainspannung immer weiter, so kommt es bei ausreichend großem Leistungsum‐
satz in den Bauelementen zu einer thermischen Zerstörung der Bauelemente und
damit zu einem abrupten Stromanstieg.
(a) (b)
Abbildung 4.15: Isotherme und nichtisotherme Ausgangskennlinienfelder im Ver‐
gleich; (a) Gleichförmige SJ (b) Ungleichförmige SJ.
4 Die thermischen Oberflächenwiderstände 1/λ liegen typischerweise zwischen 0,1 und 1,0 KW ‐1 cm 2 .