Kurzfassung



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Kurzfassung

IN der vorliegenden Arbeit wurde ein Kompaktmodell zur Schaltungssimulation für einen vertikalen DMOS-Transistor entwickelt. Wegen der großen Flexibilität wurde ein Ansatz über ein subcircuit-Modell gewählt. Der subcircuit besteht aus einer minimalen Anzahl von Elementen, um die Simulationszeiten auch bei komplexen Schaltungen mit vielen DMOS-Transistoren gering zu halten. Die Einzelelemente wiederum sind an die spezielle Struktur des DMOS-Transistors angepaßt, um trotz der strukturellen Einfachheit des subcircuits die Genauigkeit des Modells möglichst groß zu machen. Das Modell wurde an den Schaltungssimulator SABER angebunden.

Ein physikalisch motiviertes Kompaktmodell, bei dem fast alle Parameter physikalische Bedeutung haben, bringt sowohl bei der Parameteranpassung als auch in der Schaltungssimulation gegenüber rein mathematischen Fitmodellen wesentliche Vorteile. So sind bei der Anpassung der Parameter einige fest vorgegeben, die anderen, deren Werte nicht exakt bekannt sind (Beweglichkeiten, Serienwiderstände usw.), können leicht mit plausiblen Startwerten und zulässigen Wertebereichen versehen werden. Die physikalische Bedeutung der Parameter erlaubt bei der Netzwerksimulation worst case- oder Sensitivitätsanalysen.

Zur Extraktion der wesentlichen physikalischen Effekte im DMOS-Transistor wurden numerische Bauelementsimulationen mit MINIMOS durchgeführt. Die damit verbundene Möglichkeit, die Verteilung der wesentlichen Größen im Inneren des Bauelements analysieren zu können, führte zu einem subcircuit-Modell des DMOS-Transistors, das aus einem MOSFET-Modell für den Kanalbereich, einem JFET-ähnlichen Modell, das zusammen mit einem widerstandsähnlichen Modell die Driftzone des Transistors beschreibt, und einem Modell für die sehr bedeutende Eingangskapazität, die durch die Überlappung des Gatekontakts über die Driftzone zweier benachbarter DMOS-Zellen bewirkt wird, besteht. Zwei Bipolartransistormodelle beschreiben das Verhalten des DMOS-Transistors im Inversbetrieb.

Für den Kanal wurde ein MOSFET-Modell durch die Erweiterung auf das für DMOS-Transistoren typische, in lateraler Richtung (= Stromflußrichtung) stark von Source nach Drain abfallende Kanaldotierungsprofil auf die DMOS-Struktur angepaßt. Es zeichnet sich außerdem durch eine stetig differenzierbare Beschreibung der MOS-Charakteristika über alle Betriebsbereiche aus.

Das JFET-ähnliche Modell des Driftgebiets enthält neben dem schwach wirksamen Einschnürungseffekt des Stromflußgebiets die in diesem Bereich sehr wichtige Driftgeschwindigkeitssättigung. Das Widerstandsmodell beschreibt die Stromaufweitung vom JFET-Gebiet zum als buried layer ausgeführten Draingebiet.

Die zusätzliche Eingangskapazität zufolge der Überlappung des Driftgebiets zwischen benachbarten Zellen durch den Gatekontakt wird durch eine zweistufige Modellhierarchie beschrieben. Sind die Kapazitätsverläufe lediglich für positive Gatespannungen interessant, so kann ein explizites Modell verwendet werden. Eine sehr gute Beschreibung über alle Betriebsbereiche erlaubt hingegen das zweite Modell, das auf der Berechnung des Oberflächenpotentials des Driftgebiets aus einem impliziten Zusammenhang beruht. Das unbekannte Oberflächenpotential und damit die gesuchte zusätzliche Eingangskapazität werden nun vom verwendeten Netzwerksimulationsprogramm SABER durch automatisches Einfügen eines virtuellen Knotens in die Systemmatrix der nichtlinearen Iteration ohne wesentliche Erhöhung der Iterationszahl mitgelöst.

Ein zusätzlicher Vorteil des vertikalen Konzepts des DMOS-Transistors zum geringen Platzbedarf im Vergleich zu ähnlichen, aber lateralen Typen ist die Möglichkeit, den On-Widerstand durch Variation der Zahl der parallelen DMOS-Zellen beinahe beliebig gestalten zu können. Die physikalisch motivierten Einzelmodelle des subcircuits enthalten als Modellparameter die charakteristischen Abmessungen des DMOS-Transistors. Dies macht eine Skalierung des DMOS-Modells auf beliebige Zellenzahl möglich. Damit können unabhängig von der Zellenzahl alle Parameter bis auf jene, die die Zellenzahl im Modell festlegen, unverändert bleiben.

Der Vergleich von Schaltungssimulationen mit Hilfe des DMOS-Modells mit Messungen zeigt anhand von einigen einfachen Schaltungen, daß sowohl die DC-Beschreibung als auch das Kapazitätsmodell und die Skalierung des entwickelten DMOS-Modells gute Ergebnisse liefern.



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Martin Stiftinger
Wed Oct 5 11:53:06 MET 1994