In Abb. 4.1 sind die Betriebsgrenzen eines typischen -DMOS-Transistors dargestellt [8]. Die durchgezogene Linie gibt die safe operating area für DC-Betrieb an, die strichlierten Linien jene für einmalige Pulse der Breite von bis . Für geringe Drainspannungen ist der maximale Strom begrenzt vom maximalen Strom durch die Bonding-Drähte. Diese Grenze ist allerdings rein theoretisch, da bei niedrigen Drainspannungen aufgrund des On-Widerstands keine so hohen Ströme erreicht werden können. Für geringe Drainströme ist die Drainspannung durch punch through bzw. Lawinendurchbruch am Übergang zwischen -body und Driftzone begrenzt (siehe Abschnitt 2.1). Für hohe Spannungen und Ströme wird die safe operating area durch die maximale Leistung , die im Bauelement umgesetzt wird, begrenzt. Die erzeugte Wärme wird i.a. an eine an der Rückseite des Bauelements angebrachte Wärmesenke (etwa in der Form eines Kühlkörpers) abgegeben. Da die intrinsische Trägerdichte in einem Halbleiter exponentiell mit der Temperatur steigt und die Funktion des Transistors bei Eigenleitung (die intrinsische Trägerkonzentration übersteigt die Dotierungskonzentration) zusammenbricht, wird i.a. die maximale Leistung des Transistors so bestimmt, daß die Temperatur im Bauelement einen bestimmten Wert nicht übersteigt [82]. Oft wird dafür verwendet (bei dieser Temperatur wird ein mit einer Konzentration von ca. dotiertes Material eigenleitend). Da die Leistung im Vergleich zur Gesamtdicke des Wafers praktisch an der Oberfläche umgesetzt wird, sind der Wärmewiderstand des Wafers (und etwaiger anderer Lagen bis zur Wärmesenke) und die Temperaturdifferenz zur Wärmesenke für die maximale Leistung verantwortlich [138]. Eine größere Chipfläche erlaubt deshalb wegen eines geringeren Wärmewiderstands eine höhere maximale Verlustleistung (vgl. Abschnitt 6.7.2).
Abbildung 4.1: Safe operating area eines typischen
DMOS-Transistors.
Für kurze Pulse liegen sowohl der maximale Strom bei niedrigen Drainspannungen des Bauelements als auch die maximale Leistung höher als im DC-Fall. Die mittlere Leistung bei gepulstem Betrieb ergibt sich aus dem Verhältnis von Puls- zu Periodendauer (wenn die Periodenweite klein genug ist im Vergleich zur thermischen Zeitkonstante gegeben aus Wärmekapazität und thermischem Widerstand). Die maximale Drainspannung bei kleinem Drainstrom wird davon natürlich nicht beeinflußt.
Thermisch ist der DMOS-Transistor (wie alle MOSFETs) ein selbststabilisierendes Bauelement. Aufgrund der mit zunehmender Temperatur abnehmenden Beweglichkeit der Ladungsträger nimmt der Drainstrom mit steigender Temperatur ab. Es kommt im Gegensatz zu Bipolartransistoren nicht zu lokalen Stromfäden oder thermischem ,,Davonlaufen``. Abb. 4.2 zeigt den typischen Verlauf des Drainstroms eines DMOS-Transistors über der Temperatur [138]. Für einen lateralen DMOS-Transistor wurde in [32] der Temperatureinfluß auf alle wichtigen Kenngrößen untersucht.
Abbildung 4.2: Temperaturabhängigkeit des Drainstroms eines DMOS-Transistors nach [138].
Abb. 4.1 berücksichtigt keine sekundären Durchbruchsmechanismen. Heute kommerziell erhältliche DMOS-Transistoren sind i.a. so ausgelegt, daß durch Designmaßnahmen diese Durchbruchsmechanismen verhindert werden. Die damit verbundene große safe operating area ist mit ein Grund für die immer weitere Verbreitung von MOS-Leistungsbauelementen. Trotzdem sollen die sekundären Durchbruchsmechanismen und ihre Verhinderung kurz besprochen werden.