• Document: COOLMOS TM von SIEMENS* Ein Quantensprung in der Hochvolt MOSFET-Technologie macht Anwenderträume wahr
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TM COOLMOS COOLMOSTM von SIEMENS* Ein Quantensprung in der Hochvolt MOSFET-Technologie macht Anwenderträume wahr Lorenz L., März M., Deboy G. Power-MOSFET zählen seit nunmehr 20 Jahren zu den bedeutendsten Komponenten in der Transistorwelt. Mit einem Marktvolumen von 1.4 Mrd. US$ in 1997 und einem prognostizierten Wachstum von 15% bis ins Jahr 2001 wird die Bedeutung dieser Bauelemente auch in Zukunft weiter zunehmen. Im Niedervoltbereich (Sperrspannungen ≤ 100V) wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl neuer Technologien vorgestellt. So hat Siemens 1996 die sogenannte S-FET-Technologie er- folgreich am Markt eingeführt [1], mit der extrem niedrige Einschaltwiderstände realisiert werden (z.B. RDS(on) < 6mΩ @ VDS = 30V im TO220). Bei den Hochvolttransistoren (400...1000 V) war Ende der 80er Jahre mit der bekannten MOS-Struktur eine Entwicklungsgrenze erreicht. Verbesserungen des Einschaltwiderstands konnten - mangels technologischer Verbesserungspotentiale - häufig nur durch Maximierung der in die traditionellen Gehäuse wie TO220 oder D-Pak montierbaren Siliziumfläche erzielt werden. Siemens ist nun nach 2 Jahren intensiver Entwicklungsarbeit in der Lage eine neue Hochvolt- MOSFET-Familie (600V-1000V) unter der Bezeichnung COOLMOSTM anzubieten. Dahinter verbirgt sich eine revolutionäre MOS-Technologie, die im Vergleich zu bekannten Technolo- gien eine Reduzierung des RDS(on) um den Faktor 5...10 (!) bei gleicher Chipfläche ermöglicht. * published in Elektronik -1- TM COOLMOS Einführung Die Erhöhung der Leistungsdichte mit dem Ziel der Miniaturisierung und der Systemintegra- tion ist eine der wesentlichen Herausforderungen für zukünftige leistungselektronische Syste- me. Darüber hinaus werden sich auch die Anforderungen bezüglich eines hohen Systemwir- kungsgrades über den gesamten Lastbereich, bezüglich der Regeldynamik auf Störgrößen, der Zuverlässigkeit etc. weiter verschärfen. Wesentliche Impulsgeber für diese Weiterentwick- lung sind die Leistungshalbleiterbauelemente. In der Vergangenheit sind Versuche leistungselektronische Systeme wie Schaltnetzteile oder Umrichter deutlich kleiner zu bauen, vielfach an den dazu notwendigen Bauelementen ge- scheitert. Eine zentrale Komponente bilden dabei die Leistungshalbleiterschalter, die für Systeme am 240/400V-Netz Sperrspannungen von 600V, 800V oder 1000V - je nach Schal- tungstopologie - aufweisen müssen. In der zweiten Hälfte der 70er Jahre gelang hier der bisher entscheidendste Schritt in eine neue Bauelemente-Generation: Die Entwicklung der Leistungs-MOSFET, die rasch zu einer nahezu vollständigen Ablösung der Bipolar-Transistoren in der Leistungselektronik führten. Mit den Leistungs-MOSFET wurde der Schritt zur direkten Verbindung der Mikroelektronik und der Leistungselektronik vollzogen - sowohl fertigungstechnisch (MOS-Prozeßtechnik) als auch aus Anwendersicht (leistungslose Ansteuerung etc.). Die Weiterentwicklung der Leistungs-MOSFET wird vom Trend zur Miniaturisierung und Wirkungsgrad-Erhöhung leistungselektronischer Systeme getragen. Im Vordergrund dieser Entwicklung stehen die Reduktion des Einschaltwiderstandes RDS(on), die Steigerung der Robustheit bezüglich kritischer Schaltzustände, die Avalanchefestigkeit sowie die Absenkung der benötigten Treiberleistung durch Verringerung der Gate-Ladung. Mit der neuen Hochvolt-MOSFET-Familie COOLMOSTM setzt Siemens hier ganz entscheiden- de Meilensteine hinsichtlich Einschaltwiderstand, Schaltfrequenz, Steuerleistung und dynami- sche Verluste. MOS-gesteuerte Hochvolttransistoren Bild 1 zeigt die Zelle eines konventionellen Leistungs-MOSFET mit den wichtigsten Teilbeiträ- gen zum Einschaltwiderstand RDS(on). Der Einschaltwiderstand wird bei Hochvolt-MOS- Transistoren mit Durchbruchspannungen über 300V in erster Linie durch die Dotierung und Dicke des Epitaxie-Gebietes bestimmt und nur geringfügig durch die Zellengeometrie und das Substratgebiet. Daher ist - im Gegensatz zu Niedervolt-MOSFET mit Sperrspannungen kleiner 100V - eine Reduzierung des RDS(on) nur in sehr beschränktem Maße durch die Optimierung der Zellengeometrie möglich. Das Hauptaugenmerk zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines Hochvolt-MOSFET muß sich auf eine Reduzierung des Epitaxie- oder Driftzonen-Widerstands richten. Maßgebend für diesen Widerstand ist die Dicke und -2- TM COOLMOS Dotierung der Driftzone - beide Größen legen zugleich abe

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