Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

Kapitel 4 Statisches Verhalten von SJ‐LDMOS‐Transistoren 85
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Der thermische Widerstand Rth kann in einem Innenbestandteil, welcher durch die
Wärmeleitfähigkeit κ in Gl. (2.73) berücksichtigt wird, und in einem Außenbestand‐
teil, welcher durch thermischen Oberflächenwiderstand λ ‐1 anzugeben ist, aufgeteilt
werden. Seine Größe ist durch die Geometrie und das Material des Transistors
bedingt. Bei Kenntnis von Rth (z.B. durch Datenblattangaben) kann man auch den
maximalen Dauer‐Drain‐Gleichstrom IDmax leicht ermitteln:
I
Dmax
=
R
Tjmax −Ta
( T = T ) ⋅R
DS( on) jmax th
(4.26)
Hierin ist RDS(on)(T = Tjmax) der Durchlasswiderstand bei der maximalen Sperrschicht‐
temperatur Tjmax (≈ 150°C). Aus den Gleichungen (4.25) und (4.26) folgt, dass im
Dauerbetrieb sowohl PV als auch IDmax mit wachsender Umgebungstemperatur Ta
vermindert werden. Der Wert für IDmax wird jedoch in der Praxis nicht eingehalten,
denn für geringe Drainspannungen ist der Drainstrom ID durch den Durchlasswider‐
stand RDS(on) begrenzt, für hohe Drainspannungen entweder durch die maximale
Verlustleistung PV oder durch die Durchbruchspannung U(BR)DSS.
Messtechnisch geht ein Gleichstromverfahren aufgrund der relativ langen Mess‐
dauer mit erheblicher Verlustleistung einher. Gerade deshalb arbeitet man vorzugs‐
weise mit einem Impulsverfahren, bei dem das Bauelement z.B. mit kurzen rechteck‐
förmigen Gatespannungs‐Impulsen bei konstantem UDS angesteuert wird. Der Im‐
pulsbetrieb verzögert das Ansteigen der Sperrschichttemperatur, indem die Wärme‐
kapazität cL des Halbleitermaterials durch die Verlustleistung umgeladen wird, und
verursacht ein periodisches Aufheizen und Abkühlen des Bauelementes. Auf diese
Weise sind höhere Impulsspitzenleistungen 5 realisierbar. Die dynamische SOA be‐
ruht auf einem Impulsbetrieb, somit ist er gemeinhin großflächiger als die statische
SOA. Charakteristisch für zeitveränderliche Wärmevorgänge ist die transiente
Wärmeimpedanz Zth. Sie ist ein Maß für das Wärmeableitvermögen bei Einspeisung
einzelner Rechteckimpulsen konstanter Höhe. Ihre Größe ist von der Impulsdauer tp
abhängig, jedoch stets geringer als der thermische Widerstand Rth. Den typischen
Verlauf von Zth in Abhängigkeit von tp gibt Abb. 4.17 an, aus der offensichtlich ist,
dass die transiente Wärmeimpedanz zunächst drastisch mit zunehmender Impuls‐
dauer ansteigt, bevor der Anstieg nachlässt. Aus der transienten Wärmeimpedanz Zth
bestimmt sich die zulässige Impulsspitzenleistung PV gemäß
T −T
jmax a
V = (4.27)
Zth t p
P
( )
5 Wenn Leistungsbauelemente im Impulsbetrieb arbeiten, spricht man nicht mehr von
Verlustleistung, sondern von Impulsspitzenleistung.