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Advanced techniques for high temperature system-on-chip

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Eine Bewertung von Feldeffekttransistoren bei hohen Temperaturen

Die Zuverlässigkeit und Effizienz von elektronischen Systemen, die in vielen industriellen Bereichen zum Einsatz kommen, muss auch bei hohen Temperaturen gegeben sein. Im Verlauf des ATHIS-Projekts wurde das Verhalten von Feldeffekttransistoren bei hohen Temperaturen erforscht.

Industrielle Technologien

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffektransistoren (MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) sind Bauelemente, die hauptsächlich zur Verstärkung von elektronischen Signalen eingesetzt werden. Sie sind grundlegende Bauelemente bei integrierten Schaltungen, können aber auch bei analogen Schaltungen verwendet werden. Ein DMOS-Transistor (Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) ist eine spezielle Variante des MOSFET und wird als Leistungs-MOSFET bezeichnet. Hauptsächlich werden sie in akustischen Verstärkern eingesetzt. Das Wort "Metall" bei der Bezeichnung dieser Bauelemente wurde nur aus historischen Gründen beibehalten. Das Metall wurde durch ein polykristallines Silizium ersetzt. Kennzahlen zu Betriebsgrößen dieser Halbleiterbauelemente wie der spezifische Widerstand im Betrieb, die Schleusenspannung und Leckströme sind gewöhnlich nur für Temperaturen unter 150°C vorhanden. Heutzutage kommen diese Schaltungen bei einer Reihe von industriellen Anwendungen zum Einsatz, bei denen die Temperaturen 200°C oftmals übersteigen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Schiffsindustrie sowie der Bereich der Erdöl fördernden Industrie sollen hier als Beispiele genannt werden. Im Rahmen des ATHIS-Projekts wurde das Verhalten von handelsüblichen vertikalen DMOS-Transistoren (VDMOS) bei Temperaturen über 150°C ausgiebig untersucht. VDMOS-Transistoren sind eine spezielle Form der DMOS-Transistoren. Es kommen zwei verschiedene Dotierungselemente zum Einsatz, im Allgemeinen Phosphor und Arsen, mit denen der Drain dotiert wird. VDMOS haben den Vorteil eines im Vergleich zu DMOS-Transistoren geringeren Widerstandes im Betrieb und kleinerer äußerer Abmaße. Aufgrund der hohen Durchbruchspannung wird diese Bauweise des Transistors häufig bei Leistungs-Halbleiterbauteilen z.B. im Bereich der Fahrzeugelektronik eingesetzt. Im Verlauf der Forschung konnten Projektpartner eine Vielzahl von MOSFET-Transistoren mit geringer Spannung und geringem Widerstand bei einer Betriebstemperatur von bis zu 175°C ermitteln. Mithilfe von numerischen Simulationen des Kerns eines MOSFET-Transistors konnten die erforderlichen Änderungen ermittelt werden, um die Betriebstemperatur auf bis zu 200°C zu erhöhen. Änderungen im Abstand der Zellen, eine Verkleinerung der Epitaxiefläche, eine hohe Implantationsdichte in der Kanalregion und eine effizientere Anordnung führten zu einem erfolgreichen Betrieb bei den gewünschten hohen Temperaturen.

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