6.1 Das DMOS-Transistor Subcircuit-Modell

Als Ansatz für das Schaltungsmodell des DMOS-Transistors wurde ein sog. subcircuit-Modell gewählt. Dies bedeutet, daß das Modell für den DMOS-Transistor aus einem sehr kleinen Netzwerk einfacherer Bauelemente besteht, die einzelne Bereiche des DMOS-Transistors (Kanal, JFET-Gebiet, Epi-Widerstandsgebiet) beschreiben. Ein solches subcircuit-Modell kann i.a. in Schaltungssimulatoren in ein Makro gepackt und wie ein ,,normales`` Bauelementmodell verwendet werden. Man muß sich allerdings bewußt sein, daß die inneren Knoten in diesem subcircuit-Modell mitgelöst werden müssen, obwohl sie bei Verwendung eines Makros von außen nicht sichtbar sind. Aus diesem Grund gab es einige Versuche in der Vergangenheit, eine geschlossene Formulierung für ein DMOS-Schaltungsmodell zu finden [71][72][87][90][100]. Diese beschränken sich allerdings bis auf [87] auf das statische Verhalten des DMOS-Transistors oder konzentrieren sich auf die Quasisättigung. In [36] und [115] finden sich geschlossen lösbare Modelle für den On-Widerstand des DMOS-Transistors. In [63] wird ein ladungsbasierendes Modell vorgestellt, dessen Gleichungen allerdings wieder nur durch ein iteratives Verfahren zu lösen sind. Diese iterative Lösung muß bei jedem Iterationsschritt, den das Netzwerksimulationsprogramm durchführt, ausgeführt werden.

In [104] wird ein subcircuit-Modell vorgestellt, das auch eine AC-Beschreibung des DMOS-Transistors ermöglicht. In [43] wird ein Überblick über und Vergleich von DMOS-subcircuit-Modellen gegeben. Viele subcircuit-Modelle basieren auf den Standard-SPICE-Modellen. Sie leiden deshalb oft an denselben Problemen wie diese (z.B. keine kontinuierlichen Beschreibungen der Größen im MOSFET-Modell für den DMOS-Kanal) und haben keinen Bezug zu den charakteristischen Größen des DMOS-Transistors. Allerdings sind sie, da SPICE als Quasistandard sehr verbreitet ist, praktisch überall einsetzbar.

Der Ansatz eines subcircuit-Modells in dieser Arbeit wurde aus folgenden Gründen gewählt:

• Ein subcircuit-Modell kann in relativ kurzer Zeit entwickelt werden, sofern man auf Standard-Modelle zurückgreift. Diese Standard-Modelle können Ausgangspunkt für die Verwendung von besser auf die DMOS-Struktur abgestimmten Modellen der Elemente des subcircuits sein. Als Netzwerksimulationsprogramm wurde SABER [1] verwendet. Dieser moderne Netzwerksimulator mit einer graphischen Benutzeroberfläche erlaubt sehr einfach, neue Modelle entweder in der simulatoreigenen, C-ähnlichen Programmiersprache MAST zu implementieren oder in einer höheren Programmiersprache geschriebene Modelle einzubinden. Aufgrund besserer Konvergenzeigenschaften als SPICE ist SABER in der Simulation von Leistungsschaltkreisen relativ weit verbreitet. In SABER sind verschiedene Lösungsalgorithmen eingebaut, die hierarchisch aufgerufen werden können. Findet ein schneller, aber weniger robuster Algorithmus nicht zu einer Lösung, so wird auf einen zeitintensiveren, aber stabileren Algorithmus umgeschaltet. Dies kann automatisch oder benutzergesteuert erfolgen.
• Man kann bei der Entwicklung eines subcircuits auf ausgereifte Modelle für die Elemente des subcircuits zurückgreifen. So stehen z.B. für den DMOS-Kanal MOSFET-Analogmodelle zur Verfügung, deren Größen als kontinuierliche und stetig differenzierbare Kurven über alle Arbeitsbereiche gegeben sind. Dies steht im Zusammenhang mit der leichten Implementierung neuer Modelle in SABER, die in SPICE zur Verfügung stehenden MOS-Level 1 bis -Level 3 Modelle sind keine Analogmodelle.
• Ein subcircuit ist leicht modifizierbar, somit können verschiedene Varianten einfach verglichen werden. Eine Abschätzung, welchen Einfluß ein bestimmtes Element auf den Gesamt-subcircuit hat, ist einfach möglich, damit können auch nicht wesentliche Elemente identifiziert - sofern dies aus der Bauelementsimulation nicht eindeutig hervorgegangen ist - und die Zahl der Elemente des subcircuits minimiert werden.

Die in Kapitel 5 gezeigten Bauelementsimulationen geben wichtige Anhaltspunkte für die Struktur des subcircuit-Modells. Es zeigt sich, daß neben dem MOSFET-Modell für den Kanal ein JFET-ähnliches Modell, das als wesentlichen Bestandteil die Driftgeschwindigkeitssättigung enthält, und ein widerstandsähnliches Modell, das das Gebiet der Stromaufweitung beschreibt, notwendig sind, um das Driftgebiet zu beschreiben. Bipolartransistoren zur Beschreibung des Verhaltens des DMOS-Transistors bei inversem Betrieb und die in den Bauelementsimulationen als sehr wesentlich identifizierte Gate-Drain-Kapazität vervollständigen das in Abb. 6.1 dargestellte subcircuit-Modell.

  
Abbildung 6.1: Subcircuit-Modell des DMOS-Transistors.

Folgende Punkte sollen erläutern, warum der subcircuit gerade aus diesen Elementen besteht:

• Die wesentlichen Einflüsse wurden durch die Bauelementsimulation identifiziert.
• Ein Ziel war die Verwendung möglichst weniger Elemente, um die Anzahl der inneren Knoten klein und damit die Simulationszeiten auch bei komplexen Schaltungen mit vielen DMOS-Transistoren niedrig zu halten.
• Um mit dem subcircuit-Modell dennoch möglichst gut die DMOS-Transistoreigenschaften modellieren zu können, wurde versucht, die Modelle der wenigen subcircuit-Elemente auf die spezielle Struktur und die Besonderheiten des DMOS-Transistors abzustimmen. Diese speziellen Elemente machen das DMOS-Modell von charakteristischen Größen der DMOS-Struktur abhängig, die als Parameter in das Modell aufgenommen wurden.
• Durch Versuche mit zusätzlichen Elementen wurde verifiziert, daß diese keine wesentlichen Verbesserungen des Modells bringen. So wurde z.B. ein zusätzlicher Akkumulationswiderstand im Modell wieder verworfen, da die Übereinstimmung mit den Meßkurven dadurch nicht verbessert werden konnte.

In den folgenden Abschnitten werden die Modelle der einzelnen Elemente des subcircuits vorgestellt. Besonderer Raum wird dabei dem MOSFET-Modell für den DMOS-Kanal gewidmet, da viel von der für DMOS-Transistoren (oder allgemein für MOSFETs) wesentlichen Physik an Hand dieses Modells erklärt werden kann.