Das niedrig dotierte -Substrat dient als sog. Driftzone, die hohe
Drainspannungen aufnehmen kann. Mit dieser Dotierung ist ein
verhältnismäßig hoher Widerstand verbunden, der bei Stromfluß einen
Großteil der Drain-Source-Spannung aufnimmt, sodaß am Kanal selbst nur ein
Bruchteil dieser Spannung abfällt.
Im stromlosen Fall ist (bei ) der
-Übergang zwischen
-body und Driftgebiet gesperrt. Es bildet sich eine
Raumladungszone, die die Drain-Source-Spannung aufnehmen muß. Eine
Raumladungszone um einen
-Übergang dehnt sich weiter in jenen Bereich
aus, der niedriger dotiert ist. Dies kann sehr einfach über die Lösung der
eindimensionalen Poissongleichung gezeigt werden, die (mit dem
elektrostatischen Potential
, dem elektrischen Feld
in
-Richtung, der Raumladung
zufolge der ionisierten
Akzeptor- und Donatorkonzentrationen
und
in der Raumladungszone)
lautet:
Für einen abrupten -Übergang an der Stelle
mit
ergibt sich für die Grenzen der Raumladungszone in - und
-Gebiet:
ist negativ und folgt mit der in Sperrichtung angelegten
Spannung
zu:
Auf nicht abrupt, sondern z.B. linear verlaufende -Übergänge lassen
sich die folgenden Überlegungen gleichermaßen anwenden (siehe
z.B. [116]). Man sieht aus den Gleichungen 2.3 und
2.4, daß sich das Verarmungsgebiet immer in das niedriger
dotierte Gebiet weiter ausdehnt. Bei stark unterschiedlicher Dotierung auf
beiden Seiten des
-Übergangs dehnt sich die Raumladungszone praktisch
ausschließlich in das niedrig dotierte Gebiet aus. Auch ist die maximale
Feldstärke
in diesem Fall lediglich durch das niedrig dotierte
Gebiet bestimmt (siehe Gleichung 2.5 für
oder
umgekehrt). Je niedriger dieses dotiert ist, desto geringer ist die maximale
Feldstärke (sie tritt immer im metallurgischen
-Übergang, also in
unserem Beispiel bei
auf).
Geht man davon aus, daß die Driftzone in einem DMOS-Transistor wesentlich
weniger stark dotiert ist als der -body, so muß die Driftzone weit
genug sein, sodaß im Vorwärts-Sperrfall die Raumladungszone nicht das hoch
dotierte Draingebiet erreicht, da sie sich sonst nicht mehr weiter
ausdehnen kann. Mit steigender Spannung wächst die Feldstärke stark an
und bedingt einen früheren Lawinendurchbruch [3]. Auf der anderen
Seite dringt natürlich die Verarmungszone auch etwas in den
-body
ein. Durch das Design muß sichergestellt sein, daß diese nicht das
-Sourcegebiet erreicht, da es sonst zum sog. punch
through-Durchbruch kommt.
DMOS-Transistoren sind i.a. so ausgelegt, daß es zu keinen
punch through-Problemen kommt. Die Vorwärts-Blockiereigenschaften
werden damit durch den Lawinendurchbruchsmechanismus an gesperrten
-Übergängen begrenzt. Als Näherungsformel für die Durchbruchspannung
eines ebenen, abrupten
-Übergangs für
wird in
[8] angegeben:
Die Weite der Raumladungszone ergibt sich zu:
Abb. 2.2 zeigt diese Zusammenhänge graphisch:
Abbildung 2.2: Durchbruchspannung und Weite eines
ebenen, abrupten -Übergangs über der Konzentration des geringer
dotierten Gebiets.
In einer realen DMOS-Struktur treten Krümmungen der Raumladungszonen auf,
die Feldstärkespitzen verursachen. Abb. 2.3 läßt vermuten, daß
diese umso stärker sind, je größer das Verhältnis der Weite der
Raumladungszone zum Krümmungsradius des -Übergangs ist.
Abbildung 2.3: Feldverlauf am Rand eines
seichten (a) und eines tiefen (b) -Übergangs.
Geht man von einer zweidimensionalen Struktur mit abrupten, zylindrischen
Übergängen aus (unter der vereinfachenden Annahme, daß die laterale
Unterdiffusion der Tiefe des -Übergangs entspricht), so führt eine
Berechnung über die Lösung der
Poissongleichung in Zylinderkoordinaten zu folgender Durchbruchspannung
(
ist der Radius des
-Übergangs) [7][10]:
Ein reale, dreidimensionale Struktur weist jedoch an ihren Ecken Übergänge
auf, die durch das Aufeinandertreffen von zwei zylindrischen
-Übergängen im Winkel von i.a.
entstehen. Für einen
abrupten, sphärischen Übergang kann die Poissongleichung in
Kugelkoordinaten gelöst werden. Die Durchbruchspannung ergibt sich im
Vergleich zu der eines ebenen, abrupten Übergangs
zu [7][10]:
Die Gleichungen 2.8 und 2.9 gelten für und
für eine Hintergrunddotierung kleiner als
(ein sehr hoher
Wert für die Grunddotierung).
Abb. 2.4 zeigt die auf die Durchbruchspannung des abrupten,
ebenen
-Übergangs normierten Durchbruchspannungen der
zylindrischen und sphärischen Übergänge. Man erkennt, daß die
Durchbruchspannung mit kleiner werdendem Radius des
-Übergangs sinkt. Wie zu erwarten war, ist die Durchbruchspannung des
sphärischen Übergangs deutlich niedriger als die des zylindrischen.
Abbildung 2.4: Durchbruchspannungen von zylindrischen und sphaerischen, abrupten -Uebergaengen im Verhaeltnis zu ebenen, abrupten
-Uebergaengen.
Es zeigt sich auch (wie schon aus Abb. 2.3 zu vermuten), daß das
Verhältnis von Krümmungsradius zur Weite des -Übergangs eine
wesentliche Größe ist. Sehr seichte
-Übergänge bedingen kleine
Radien und
verringern die Durchbruchspannung. Für Leistungsbauelemente sind daher oft
zusätzliche Prozeßschritte (Diffusionen) notwendig, um tiefere Übergänge
zu erzielen. Da sphärische Übergänge durch Aufeinandertreffen von
zylindrischen Übergängen an Ecken der Struktur hervorgerufen werden, kann
durch Abrundung dieser Ecken eine Erhöhung der Durchbruchspannung in
diesen Bereichen erzielt werden.
Positive Oberflächenladungen über dem Verarmungsgebiet einer in einem
-Gebiet liegenden
-Schicht verstärken die Krümmung der
Raumladungszone und verringern die Durchbruchspannung, negative Ladungen
verringern die Krümmung und erhöhen damit die Durchbruchspannung. Für
eine in einem
-Gebiet liegende
-Schicht gilt obiges mit vertauschten
Vorzeichen.
Es sind einige Techniken entwickelt worden, um durch eine Verringerung des Krümmungsradius die Durchbruchspannung zu erhöhen. Diese sollen nur kurz aufgeführt werden, da sie für die hier behandelte Technologie nicht explizit verwendet werden (allerdings haben sie zum Teil eine implizite Bedeutung, siehe z.B. Abschnitt 3.1.2).
Die Fortsetzung des Kontakts der hoch dotierten Schicht auf einer
Oxidschicht über den -Übergang in das niedrig dotierte Gebiet hat
ähnliche Wirkung, da (bei gesperrtem
-Übergang) das Potential der
Feldplatte niedriger ist als das der Raumladungszone im
-Gebiet.
In [41] wird ein Vergleich der Wirkung von Feldringen und
Feldplatten mit Hilfe von numerischen Simulationen durchgeführt. Es zeigt
sich, daß sich für optimale Designs beider Methoden (es wird ein einfacher
Feldring verwendet) für Tiefen des -Übergangs von
mit
der Feldplatte eine höhere Durchbruchspannung erzielen läßt, für tiefere
Übergänge mit Feldringen.
In lateralen Bauelementen wie dem LDMOS-Transistor kann die Oberflächenfeldstärke dadurch reduziert werden, daß man das Driftgebiet als dünne, verhältnismäßig hochohmige epitaktische Schicht ausführt (REduced SURface Field, RESURF) [5][33][45][58]. Die niedrige Dotierung dieser Epi-Schicht bringt allerdings einen hohen On-Widerstand mit sich. Gegenmaßnahmen können eine multiple resistivity-Driftregion [78], Implantationen in das Driftgebiet und die Verwendung von Widerstandsmaterial, das auf dem Oxid über der Driftzone angebracht wird (etwa aus polykristallinem Silizium SIPOS) [21][58], enthalten.
Auch die Verwendung von internen Feldringen bei LDMOS-Transistoren (Feldringe innerhalb der Driftstrecke) wurde vorgeschlagen [86]. Mit diesen Mitteln können LDMOS-Transistoren mit hohen Vorwärts-Blockierspannungen realisiert werden [74]. Einen Überblick über laterale MOS-Gate-gesteuerte Leistungsbauelemente gibt [28].