Der DMOS
Der Short-Channel-MOSFET zeigt, was passiert, wenn der Kanal kürzer wird als die Annahmen, auf denen die Long-Channel-Rechnung beruht. Dabei war die Kanallänge dort immer eine Frage der Lithografie: Sie ist der Abstand zwischen zwei Gebieten, die man mit zwei Masken definiert hat, und damit an die Auflösungsgrenze der jeweiligen Fertigungsgeneration gebunden.
Der DMOS umgeht diese Grenze. Sein Kanal entsteht nicht durch zwei Masken, sondern durch zwei Diffusionen durch dieselbe Maskenöffnung.
Die Doppeldiffusion
Das D in DMOS steht für double-diffused, und der Trick steckt in der Reihenfolge:
- Ein Fenster im Maskenoxid wird geöffnet.
- Durch dieses Fenster wird zuerst der p-Body eindiffundiert. Er wandert dabei nicht nur nach unten, sondern auch seitlich unter die Maskenkante.
- Durch dasselbe Fenster folgt die n⁺-Source. Sie diffundiert ebenfalls seitlich, aber weniger weit -- weil sie später, kürzer oder mit einem langsameren Dotierstoff eingebracht wird.
Was zwischen den beiden seitlichen Diffusionsfronten übrigbleibt, ist der Kanal:
mit \(x_j\) als jeweiliger lateraler Eindringtiefe. Die Kanallänge ist damit eine Differenz zweier Prozessgrößen, keine Maskengröße. Sie lässt sich auf einige Zehntel Mikrometer bringen, während die Lithografie derselben Generation vielleicht bei zwei Mikrometern steht.
Lateraler DMOS. p-Body und n⁺-Source kommen aus derselben Fensterkante, der Kanal ist die Differenz ihrer seitlichen Eindringtiefen — typisch einige Zehntel Mikrometer, also kürzer als die Lithografie derselben Generation. Zwischen Kanalende und Drain liegt eine schwach dotierte Driftstrecke, die im SST214 bis 20 V aufnimmt.
Die abgestufte Kanaldotierung
Ein gewöhnlicher MOSFET hat eine gleichmäßig dotierte Kanalregion. Der DMOS nicht: Weil der Body von einer Seite eindiffundiert ist, fällt seine Konzentration vom Source-Ende zum Drain-Ende hin ab. Das hat zwei Folgen.
Die Schwellenspannung bestimmt die höchste Dotierung. Der Kanal leitet erst, wenn auch die am stärksten dotierte Stelle invertiert ist -- also die am Source-Ende. \(V_{th}\) hängt damit an einem Punkt, nicht an einem Mittelwert.
Es entsteht ein eingebautes Feld. Der Dotierungsgradient erzeugt ein Driftfeld, das die Elektronen zusätzlich zum angelegten Feld Richtung Drain treibt. Der DMOS ist deshalb schneller, als seine geometrische Kanallänge allein erwarten ließe.
Die Driftstrecke
Zwischen Kanalende und Drain sitzt ein schwach dotiertes n⁻-Gebiet. Es trägt im eingeschalteten Zustand kaum zum Widerstand bei, übernimmt aber im gesperrten Zustand den größten Teil der Spannung. Die Verarmungszone breitet sich dort aus, statt den kurzen Kanal zu durchgreifen.
Damit ist der eigentliche Bruch vollzogen: Ein Kurzkanal-MOSFET ohne Driftstrecke wird bei steigender Drain-Spannung von den Kurzkanaleffekten aufgefressen. Mit Driftstrecke bleibt der Kanal von der hohen Spannung entkoppelt. Der DMOS ist der erste Transistor dieser Reihe, bei dem hohe Sperrspannung und kurzer Kanal keine Gegensätze mehr sind.
Der Preis steht ebenfalls schon fest: Die Driftstrecke ist Widerstand, der im Einschaltzustand mitgeschleppt wird. Der Zielkonflikt zwischen \(R_{on}\) und Sperrspannung, der die restliche Serie bestimmt, entsteht genau hier.
Die Weiche: lateral oder vertikal
„DMOS" beschreibt, wie der Kanal entsteht -- nicht, wohin der Strom fließt. Beide Varianten existieren, und sie haben sich vollständig auseinanderentwickelt.
| Lateraler DMOS | Vertikaler DMOS | |
|---|---|---|
| Strompfad | waagrecht an der Oberfläche | senkrecht durch den Wafer |
| Drain | Oberseite | Waferrückseite |
| Body | eigener Anschluss möglich | mit Source kurzgeschlossen |
| Driftstrecke | lateral, neben dem Kanal | vertikale Epitaxieschicht |
| Führt zu | LDMOS | TrenchMOS, Superjunction |
| Typisch | integrierte Leistungstechnik, HF-Endstufen, Analogschalter | diskrete Leistungs-MOSFETs |
Den Body hat jede der beiden Bauformen -- er ist die Wanne, in der der Kanal entsteht. Der Unterschied liegt darin, ob er nach außen geführt wird.
Beim vertikalen Typ wird er im Zellenfeld mit der Source kurzgeschlossen, und zwar zwingend: n⁺-Source, p-Body und n⁻-Drift bilden einen parasitären npn-Transistor. Bliebe der Body offen, hätte dieser Transistor eine unbeschaltete Basis, und jeder Verschiebestrom bei schnellem \(\mathrm{d}v/\mathrm{d}t\) würde ihn aufsteuern. Der Kurzschluss ist zugleich das, was die Body-Diode erzeugt.
Der laterale Typ kann sich den eigenen Body-Anschluss leisten -- und braucht ihn sogar. Als Analogschalter muss er Signale beider Polaritäten führen, ohne dass die Body-Diode leitet; dafür legt man den Body auf ein Potential unterhalb beider Signalgrenzen.
Ein reales Bauteil: SST214
Die Bauform ist nicht nur Lehrbuchstoff. Linear Integrated Systems fertigt die Serie SD210/SD214 und SST210/SST214 -- ursprünglich Siliconix, deren Maskensätze und Prozessdaten 2001 übernommen wurden. Das Datenblatt trägt als Kopfzeile wörtlich „N-Channel Lateral DMOS Switch".
| Kenngröße (SST214) | Wert |
|---|---|
| \(V_{(BR)DS}\) min | 20 V |
| \(V_{(GS)th}\) max | 1,5 V |
| \(r_{DS(on)}\) max | 50 Ω bei \(V_{GS}\) = 10 V |
| \(C_{rss}\) max | 0,5 pF |
| \(t_{ON}\) max | 2 ns |
| Gate–Drain, Gate–Source | ±40 V |
| Gate–Substrat | ±30 V |
| Drainstrom | 50 mA |
| Verlustleistung | 300 mW |
Die 50 Ω zeigen, worum es geht: Das ist kein Leistungsschalter, sondern ein Signalschalter, der auf niedrige Kapazität und 2 ns Schaltzeit optimiert ist. Die laterale Bauform ist genau dafür da.
Aufschlussreich sind die Spannungsangaben gegen Substrat. Das Datenblatt führt \(V_{(BR)DBO}\) für Drain–Substrat und \(V_{(BR)SBO}\) für Source–Substrat als getrennte Kennwerte. Solche Angaben kann nur machen, wer das Substrat als eigenen Anschluss herausführt -- bei einem vertikalen DMOS wäre „Drain gegen Substrat" eine Tautologie.
Was sich daran messen lässt
Der herausgeführte Body macht ein Experiment möglich, das an keinem diskreten Leistungs-MOSFET geht: die Messung des Substratstroms.
In der Hochfeldzone am Kanalende erzeugen heiße Elektronen durch Stoßionisation Elektron-Loch-Paare. Die Löcher fließen in den Body ab -- und weil der hier einen eigenen Anschluss hat, lassen sie sich als Strom messen. Der Substratstrom durchläuft dabei ein Maximum bei etwa halber Drain-Spannung, und dieser Punkt ist der Worst Case für heiße Ladungsträger.
Die Größenordnungen passen: Das Datenblatt gibt den Drain-Source-Sperrstrom mit 0,4 nA bei 10 V und 0,9 nA bei 20 V an (typisch, 10 nA maximal). Ein Substratstrom im Nanoampere-Bereich hebt sich davon ab, und ein Multimeter mit Pikoampere-Auflösung löst den Verlauf sauber auf.
Weiterführendes
- Long-Channel-MOSFET -- die Rechnung, deren Annahmen hier verlassen werden
- Zuverlässigkeit: HCI -- was heiße Ladungsträger im Oxid anrichten
- MOS-Kapazität -- woher \(V_{th}\) kommt
- pn-Übergang -- Verarmungszone in der Driftstrecke