Der MOSFET

Die MOS-Kapazität kann eine Inversionsschicht erzeugen, aber keinen Strom schalten. Zwei n⁺-Gebiete links und rechts davon ändern das: Aus dem Kondensator wird ein Transistor.

Diese Rubrik geht die Bauformen in der Reihenfolge durch, in der die Physik sie erzwungen hat. Es sind drei Etappen mit jeweils eigener Zwangslage.

Zu den Zahlenbeispielen: Alle Strukturen dieser Rubrik stammen aus dem Bereich 0,8 µm bis 65 nm. Dort ist die Transistortopologie im Wesentlichen ein Shrink -- mit Zusätzen wie Stickstoff im Gateoxid, LDD, Spacern und Halo-Implantaten, aber ohne Bruch im Aufbau. Verspanntes Silizium, High-k mit Metallgate und der FinFET liegen darunter und ändern die Topologie wirklich. Zeitlich ist das die Spitzenfertigung von etwa 1990 bis 2005 -- und zugleich das, worauf bis heute der größere Teil aller Chips entsteht: Analogtechnik, Leistungselektronik, Mikrocontroller, Automobil und HF.

Erste Etappe: klein werden

Der Long-Channel-MOSFET ist die Struktur, für die sich der Strom noch geschlossen hinschreiben lässt. Verkürzt man den Kanal, bricht genau diese Rechnung zusammen -- und mit ihr eine Reihe von Annahmen, auf denen die gesamte Schaltungstechnik aufbaut. Das ist der Short-Channel-Fall.

Zweite Etappe: kurzer Kanal ohne Lithografie

Der DMOS löst dasselbe Problem von der anderen Seite. Sein Kanal entsteht nicht durch Lithografie, sondern aus der Differenz zweier Diffusionen durch dasselbe Fenster: erst die p-Body-Wanne, dann die n⁺-Source hinein. Was zwischen den beiden lateralen Eindringtiefen übrigbleibt, ist der Kanal -- und der ist kürzer, als die Fotolithografie der jeweiligen Generation hergäbe.

Damit ist der Übergang zur Leistungselektronik vollzogen: Ab hier ist nicht mehr die Fläche knapp, sondern die Sperrfähigkeit.

Die Weiche: lateral oder vertikal

„DMOS" benennt, wie der Kanal entsteht -- nicht, wohin der Strom fließt. Beides gibt es, und die beiden Zweige haben sich vollständig auseinanderentwickelt:

        Long Channel ──→ Short Channel
                              │
                           D M O S            Kanal aus Doppeldiffusion
                          ╱       ╲
                    lateral       vertikal
                       │             │
                    LDMOS        TrenchMOS
                                     │
                              Superjunction

Der Body existiert in beiden Fällen -- er ist die Wanne, in der der Kanal entsteht. Beim vertikalen Typ wird er aber im Zellenfeld mit der Source kurzgeschlossen, weil sonst der parasitäre npn aus n⁺-Source, p-Body und n⁻-Drift eine offene Basis hätte. Genau dieser Kurzschluss macht die Body-Diode -- und er ist der Grund, warum sich am diskreten Leistungs-MOSFET kein Substratstrom messen lässt.

Dritte Etappe: Spannung aushalten

Der LDMOS baut die Driftstrecke gezielt aus und beherrscht ihr Feld über RESURF. Der TrenchMOS legt das Gate in einen Graben und gewinnt dadurch Zellendichte. Beide stoßen am Ende gegen dieselbe Wand -- den Zusammenhang zwischen Einschaltwiderstand und Sperrspannung, der sich lange als Naturkonstante des Siliziums las.

Der Superjunction-MOSFET durchbricht ihn, indem er die Driftstrecke nicht mehr nur dotiert, sondern mit kompensierenden p-Säulen durchsetzt.

Die Artikel

Verwandt: die Feldeffekttransistoren ohne Gateoxid -- JFET, MESFET und HEMT lösen dieselbe Aufgabe, ohne den Kanal erst erzeugen zu müssen.

Angrenzend geplant, außerhalb dieser Rubrik: IGBT und Latchup als bipolare Leistungsseite, sowie ein Artikel zur Frage, warum die Leistungselektronik zu SiC und GaN wandert. Der Thyristor bleibt bewusst außen vor.

Warum der IGBT nicht hierher gehört. Er ist kein MOSFET mehr, sondern eine MOS-gesteuerte Bipolarstruktur -- Leitfähigkeitsmodulation statt reinem Majoritätsträgertransport. Das ist eine eigene Rubrik wert, nicht ein Anhängsel dieser.

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