Effetti da Evento Singolo in componenti elettronici di potenza

Presentazione sul tema: "Effetti da Evento Singolo in componenti elettronici di potenza"— Transcript della presentazione:

1 Effetti da Evento Singolo in componenti elettronici di potenza
Scuola Nazionale "Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie, Astrofisica, Applicazioni Spaziali e Fisica Medica" INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, aprile 2011 Effetti da Evento Singolo in componenti elettronici di potenza Giovanni Busatto, Università di Cassino

2 Sommario Introduzione alle problematiche di SEE sui power supply
SEE nei diodi SEE nei MOSFET di potenza Conclusioni

3 SEEs sui power supply

4 Gli Effetti da Evento Singolo
I problemi derivanti dagli Effetti da Singolo Evento sono particolarmente sentiti nelle applicazioni spaziali… …ma anche: nelle applicazioni della fisica nucleare nelle applicazioni aeronautiche al suolo, per i dispositivi di grossa area

5 SEE dei Dispositivi di Potenza nei Circuiti a Commutazione Forzata
Switch spento Switch acceso

6 Il Diodo a giunzione PN 50V – 10kV Dispositivo Bipolare
Basse cadute in conduzione Non controllato

7 Il Diodo Schottky in SiC
50V – 2kV Dispositivo unipolare Basse cadute in conduzione Non controllato

8 Il MOSFET 30V – 1000V Dispositivo Unipolare Controllato in tensione
Commutazioni rapide Elevate cadute in conduzione

9 L’IGBT 600V – 6500V Controllato in tensione Dispositivo Bipolare
Bassa caduta in conduzione Buoni tempi di commutazione

10 Test relativi ai SEE Le sperimentazioni sul campo sono molto costose
Particelle leggere (neutroni e protoni) inducono SEE per effetto della spallazione Ioni pesanti accelerati tipicamente da acceleratori lineari o da ciclotroni

11 Scelta del tipo di particella da usare per l’irraggiamento
58Ni28, 139 MeV 79Br35, 250 MeV 127I53, 301 MeV Titus et al. – IEEE TNS

12 Amplificazione di carica in seguito all’impatto con una particella energetica e SEB nei DIODI

13 Amplificazione di carica nei DIODI

14 Tipico circuito di test (Caratterizzazione statica)
1MW 50W 50W line Ion beam

15 Istogrammi della Carica Generata
Diodo da 1700V Il diodo si rompe a VSEB<BV

16 Amplificazione di Carica (Simulazione 2D)
Diodo da 4kV Tensione di polar.: 1800V Particella simulata: C (17MeV) Picco di Energia Transfer: 1.2 MeV/mm 100ps 150ps 25ps 230ps 500ps T=0 1ns P+ N- N+ G. Soelkner et al. “Charge Carrier Avalanche Multiplication …”, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 47, NO. 6, DECEMBER 2000, pp

17 La Corrente nel Diodo durante un Impatto Distruttivo
Tensione di polarizzazione: 2200V

18 Simulazione di un impatto SEB
Diodo da 4kV Tensione di polar.: 2200V Particella simulata: C (17MeV) Picco di Energy Transfer: 1.2 MeV/mm Range: 17mm

19 Il Fenomeno della Doppia Iniezione
Elevata: Densità di Corrente Concentrazione Campo Elettrico Ionizzazione da impatto

20 Amplificazione di carica e SEB nei DIODI Schottky

21 Amplificazione di carica generata in un diodo Schottky in SiC
Kuboyama et. al, “Anomalous Charge ….”, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 53, NO. 6, DECEMBER 2006, pp

22 Carica generata in un diodo Schottky in SiC vs LET

23 SEB in un diodo Schottky in SiC dopo l’irraggiamento con protoni
SEB causato dalla formazione di un percorso percolativo Kuboyama et al. “Displacement Damage-Induced Catastrophic Second Breakdown ….”, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 51, NO. 6, DECEMBER 2004 , pp

24 SEB in un diodo Schottky in SiC dopo l’irraggiamento con protoni
SEB indotto dallo “Spallamento” di atomi indotto dall’impatto di protoni energetici Specie incriminate: Na Al Kuboyama et al. “Single-Event Burnout of Silicon Carbide ….”, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 54, NO. 6, DECEMBER 2007, pp

25 SEE nel MOSFET

26 SEE nei MOSFET di Potenza
SEGR SEB

27 SEB nei MOSFET Strutture Studiate
“DIODO”

28 Computer per l’Analisi Statistica
Circuito di Test Computer per l’Analisi Statistica Oscilloscopio GPIB

29 Funzione distribuzione
Analisi Statistica Forme d’onda nel tempo Scatter Plot INTEGRAZIONE NUMERICA Estrazione dei parametri della funzione distribuzione G Carica media vs VDS Funzione distribuzione

30 Carica Media Generata in un MOSFET da 200V e nel Diodo Derivato
VGS=0 40 35 30 Carica [pC] 25 20 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

31 Attivazione del BJT Parassita

32 SEE nei MOSFET al crescere della VDS
VGS=0 ☼ Single Event Burn-out 40 Danneggiamento Ossido di Gate 35 30 Carica [pC] 25 Il diodo non si rompe fino a 200V ☼ 20 La corrente di leakage di gate aumenta significativamente 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

33 Comportamento del MOSFET al Crescere della VDS
VGS=-10 40 ☼ Single Event Gate Rupture 35 30 Carica [pC] 25 20 X 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

34 Simulazione 3D di un impatto
79Br35, 250 MeV

35 SEB nei MOSFET di Potenza

36 Simulazione 3D di un Impatto Distruttivo
MOSFET da 200V VDS = 100V VGS = 0V Particella simulata: Br (236MeV) Range: 34mm

37 Simulazione 3D di un Impatto distruttivo: SEB
Concentrazione di Lacune Campo Elettrico Corrente di Drain

38 Simulazione 3D di un Impatto distruttivo: SEB
Campo elettrico (35ps)

39 La doppia iniezione nel MOSFET
Ionizzazione da impatto

40 Effetto dello spessore sull’insorgere del SEB nei MOSFET

41 Nuove generazioni di MOSFET da 200V
VGS = 0

42 SEE negli ossidi di Gate dei MOSFET di Potenza
SEGR

43 Il SEGR VGS=-10 ☼ 40 35 30 Carica [pC] 25 20 15 10 50 100 150 200
Single Event Gate Rupture 35 30 Carica [pC] 25 20 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

44 Tensioni di SEGR al variare dello spessore dell’ossido e della LET
MOSFET da 60V Tox=30nm Tox=70nm Tox=50nm Tox=100nm Tox=150nm J. L. Titus, et. Al. “Exper. Studies of SEGR and SEB in Vert. Power MOSFET’s,” IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 43, NO. 2, APRIL 1996

45 I° modello concettuale per il SEGR
J. R. Brews, et. Al. “A Conceptual model for SEGR in Power MOSFET’s,” IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 40, NO. 6, DECEMBER 1993

46 II° modello concettuale per il SEGR (sviluppato per le condensatori MOS)
N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp , December 2001

47 Formazione di “danni latenti”
VGS=0 40 35 Il danneggiamento dell’ossi- do di Gate si manifesta con l’incremento della IGSS 30 Carica [pC] 25 20 15 MOSFET 10 DIODO 50 100 150 200 Vds,Vnp [V]

48 Decadimento nel tempo della IGSS dopo l’irraggiamento
VGS=0

49 The IGSS characteristic of a fresh device
Caratteristca IGSS dell’ossido prima dell’irraggiamento The IGSS characteristic of a fresh device

50 Caratteristca IGSS dell’ossido dopo l’irraggiamento con bassissime fluenze
246MeV VDS=40V ~ 10 ions ~ 10 ions Subito dopo l’irraggiamento Dopo 45 giorni dall’irraggiamento

51 Caratteristca IGSS dell’ossido dopo l’irraggiamento con varie fluenze
223MeV VDS=40V Latent damage observed

52 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche che stazionano nell’ossido dopo l’impatto Ione DIOXIDE LAYER N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp , December 2001

53 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche che stazionano nell’ossido dopo l’impatto DIOXIDE LAYER N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp , December 2001

54 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche che stazionano nell’ossido dopo l’impatto DIOXIDE LAYER N. Boruta, et al. “A New Physics-Based Model for Understanding Single-Event Gate Rupture in Linear Devices” IEEE T-NS, vol. 48, NO. 6, pp , December 2001

55 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle lacune che rimangono nell’ossido dopo l’impatto 246 MeV

56 Simulated Values of EOX_HO
Modello concettuale per la formazione di danni latenti Il campo elettrico dovuto alle lacune che rimangono nell’ossido dopo l’impatto 246 MeV TABLE IV Simulated Values of EOX_HO Ion Energy Loss in the oxide [MeV] Generated charge in gate oxide [fC] EOX_HO [MV/cm] Br 223 MeV 0.275 2.3 6.2 Au 246 MeV 0.471 3.2 8.9

57 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche generate nel silicio dopo l’impatto (simulazione TCAD) Ion track

58 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Il campo elettrico dovuto alle cariche generate nel silicio dopo l’impatto (simulazione TCAD)

59 Modello concettuale per la formazione di danni latenti
Valori simulati dei due contributi del campo elettrico nella condizioni di polarizzazione in cui in cui comincia a manifestarsi la formazione di danni latenti Ion Energy Loss in the oxide [MeV] Vds [V] EOX_HO [MV/cm] Maximum EOX_SI [MV/cm] Maximum ETOTAL [MV/cm] Br 223 MeV 0.275 40 6.2 3.0 9.2 Au 246 MeV 0.471 20 8.9 1.5 10.4

60 SEE nell’IGBT

61 SEB nell’IGBT

62 SEB nell’IGBT

63 SEB nell’IGBT (Simulazione 2D)
W. Kaindl, et. Al. “Cosmic Radiation-Induced Failure Mechanism of High Voltage IGBT,” Proc. of the 17th ISPSD, May 23-26, 2005, Santa Barbara, CA

64 Conclusioni I fenomeni da singolo evento (SEEs) sono molto diversi tra diversi componenti di potenza Nei fenomeni di SEB l’interazione campo-carica (doppia iniezione) gioca un ruolo fondamentale nell’innesco delle instabilità elettriche Nel power diode si manifesta l’effetto base rigenerativo Nel MOSFET, gli effetti sono amplificati dall’attivazione del BJT parassita Nell’IGBT, la presenza di due transistori rende il dispositivo ancora più sensibile al SEB Sono stati proposti due modelli per descrivere i fenomeni di SEGR nei dispositivi di potenza MOSFET: il moto delle cariche durante l’impatto fa crescere il campo sull’ossido e crea le premesse per il suo danneggiamento le lacune che rimangono nell’ossido per molto tempo dopo l’impatto contribuiscono a far nascere in esso una componente di campo elettrico che si somma alle altre componenti causando la rottura dell’ossido o il suo danneggiamento.

65 Grazie per l’attenzione

66

67 Campo elettrico nell’ossido al SEGR per vari spessori dell’ossido e varie LET
J. L. Titus, et. Al. “Exper. Studies of SEGR and SEB in Vert. Power MOSFET’s,” IEEE TRANS. ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 43, NO. 2, APRIL 1996

68 Circuiti di test per il SEB/SEGR
Circuito STAMTIL Circuito usato per le prove di qualificazione Cross-Section = Impulsi SEB Fluenza

69 Simulazione 3D di un Impatto con Danno di Gate
Corrente di lacune Campo elettrico Concentrazione di lacune MOSFET da 200V VDS = 60V VGS = 0V

70 Simulazione 3D di un Impatto con Danno di Gate
Corrente di lacune Campo elettrico Concentrazione di lacune MOSFET da 200V VDS = 60V VGS = 0V

71 Simulazione 3D di un Impatto con Danno di Gate
Campo elettrico Concentrazione di lacune MOSFET da 200V VDS = 60V VGS = 0V

72 Simulazione 3D di un Impatto con Danno di Gate
Campo elettrico Concentrazione di lacune MOSFET da 200V VDS = 60V VGS = 0V

73 Simulazione 3D di un Impatto con Danno di Gate
Campo elettrico Concentrazione di lacune

74 Simulazione 3D di un Impatto con Danno di Gate
Campo elettrico Corrente di lacune Concentrazione di lacune MOSFET da 200V VDS = 60V VGS = 0V

75 Amplificazione di Carica (Simulazione 2D)
Diodo da 4kV Tensione di polar.: 1800V Particella simulata: C (17MeV)