26/10/2001 Bartolo Vissicchio1 APPLICAZIONE DEL METODO DELLA EQUAZIONE AGGIUNTA A DATI TRIBICC OTTENUTI SU DISPOSITIVI DI POTENZA AL SILICIO. Relatore:

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1 26/10/2001 Bartolo Vissicchio1 APPLICAZIONE DEL METODO DELLA EQUAZIONE AGGIUNTA A DATI TRIBICC OTTENUTI SU DISPOSITIVI DI POTENZA AL SILICIO. Relatore: Prof. Claudio Manfredotti Collaborazioni: International Rectifier Corporazione Italiana, Borgaro Torinese. Rudjer Boskovic Institute, Zagabria (HR). Candidato: Bartolo Vissicchio

2 26/10/2001 Bartolo Vissicchio2 Tecnica IBICC e dati TRIBICC (Time Resolved Ion Beam Induced Charge Collection). Il diodo Mesa Rectifier 168. Il teorema di Ramo e il teorema di Gunn. Metodo dellequazione aggiunta. Analisi dei profili di efficienza mediante il metodo dellequazione aggiunta. Conclusioni. Sommario

3 26/10/2001 Bartolo Vissicchio3 Scopo della Tesi Misura del tempo di vita medio dei portatori minoritari nella base del dispositivo Dati TRIBICCDati IBICC

4 26/10/2001 Bartolo Vissicchio4 Motivazione Utilizzare una tecnica affidabile per valutare il tempo di vita dei portatori minoritari, da inserire come dato di input in simulatori ad uso industriale, per lottimizzazione delle prestazioni dei dispositivi a semiconduttore. Tempo di vita SIMULATORE Progettazione Realizzazione dispositivo

5 26/10/2001 Bartolo Vissicchio5 Metodi di misura del tempo di vita Vantaggi: Semplice sistema di misura. Svantaggi: Non applicabile a tutti i dispositivi. Notevole dipendenza dalla velocità di ricombinazione superficiale. Approssimazione giunzione brusca. Valutazione capacità/induttanze parassite. Eccitazione (creazione di coppie e-h) Campione Evoluzione temporale della corrente indotta Tempo di vita Fascio di fotoni: Photoconductive decay (PCD) Iniezione elettronica: Reverse Recovery (RR)

6 26/10/2001 Bartolo Vissicchio6 Microscopia ionica IBICC (Ion Beam Induced Charge Collection) Vantaggi Possibilità di controllare la profondità ed il profilo di generazione. Applicabile a dispositivi ultimati. Risolvibile con fasci ionici rarefatti (<1000 ioni/s) Svantaggi Uso di un acceleratore. Danneggiamento campioni.

7 26/10/2001 Bartolo Vissicchio7 Apparato Sperimentale (IBICC) Misure eseguite presso il Rudjer Boskovic Institute, Zagabria (HR) Energia di creazione e-h, Si (3.6 eV) Energia dello ione incidente Osservabile: Efficienza di raccolta Carica raccolta Carica generata

8 26/10/2001 Bartolo Vissicchio8 Dati TRIBICC e IBICC Dati TRIBICC (normalizzati) Spettri IBICC ad energia 4 MeV Spettri IBICC a 100V

9 26/10/2001 Bartolo Vissicchio9 Perdita di energia SRIM (Stopping and Range of Ion in Matter) Protoni a 4 MeV Picco 147 m 100 m Protoni a 3 MeV Picco 90 m 100 m Protoni a 2 MeV Picco 47 m 50 m La generazione avviene principalmente a fine range (picco di Bragg). La profondità di penetrazione dipende dallenergia del fascio. Lelettrodo assorbe poca energia ( 1%) Protoni in Mesa Rectifier 168

10 26/10/2001 Bartolo Vissicchio10 Il diodo Mesa Rectifier 168 Prodotto dalla IRCI ed utilizzato nella costruzione di saldatrici industriali. Caratteristiche elettriche: Classe 1200 V (corrente < 5mA). Corrente diretta 40 A a 1,30 V. Profilo di drogaggio ottenuto attraverso la tecnica Spreading Resistance, effettuata nei laboratori della Solecon Laboratories Incorporated, California (U.S.A.).

11 26/10/2001 Bartolo Vissicchio11 2MeV Campo elettrico in polarizzazione inversa Andamento ricavato attraverso il codice di simulazione numerica PISCESII. Le tensioni sono quelle adoperate durante le misure sperimentali. 3MeV4MeV

12 26/10/2001 Bartolo Vissicchio12 Ottenuta tramite PISCESII Velocità di saturazione 10 7 cm/s Mobilità dei portatori Elettroni Lacune

13 26/10/2001 Bartolo Vissicchio13 Variabile Drogaggio Tempo di vita dei portatori

14 26/10/2001 Bartolo Vissicchio14 Corrente indotta: campo elettrico dovuto alla tensione applicata. densità di corrente dovuta al campo elettrico totale Teorema di Ramo S.Ramo, Proc. of IRE 27 (1939), 584. La carica indotta agli elettrodi è dovuta al moto dei portatori soggetti al campo elettrico E. Generalizzazione del teorema considerando la presenza di carica spaziale in condizioni di svuotamento totale G.Cavalleri, G.Fabri, E.Gatti, V.Svelto, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 21 (1971), 177. Corrente indotta: e V E

15 26/10/2001 Bartolo Vissicchio15 Occorre conoscere tutti i parametri di trasporto statici del diodo (tempo di vita, campo elettrico e mobilità). Occorre valutare la concentrazione dei portatori per ogni punto di generazione Risolvere equazione di continuitàOutput di PISCESII Osservabile: Efficienza di raccolta Teorema di Gunn J.B. Gunn, A general expression for electrostatic induction and its applicantion to semiconductor devices, Solid State Electronics, Pergamon Press 1964. Vol.7, 739 – 742. Generalizzazione del teorema di Ramo per dispositivi parzialmente svuotati e con distribuzione di carica spaziale dipendente dal potenziale applicato. Corrente indotta

16 26/10/2001 Bartolo Vissicchio16 Funzione di generazione G * LacuneElettroni La funzione di generazione di Gunn definisce univocamente la regione di svuotamento.

17 26/10/2001 Bartolo Vissicchio17 Equazione aggiunta corrispondente Risolvendo numericamente lequazione aggiunta dellequazione di continuità dei portatori, utilizzando il termine di Gunn quale funzione generatrice, si ottiene il profilo di efficienza di raccolta. Equazione di continuità per gli elettroni Efficienza di raccoltaSoluzione equazione aggiunta Metodo dellequazione aggiunta

18 26/10/2001 Bartolo Vissicchio18 Tempo di integrazione (shaping time) Funzione di trasferimento dellamplificatore Efficienza di raccolta, ad un dato shaping time, in funzione della tensione di polarizzazione inversa (IBICC) Efficienza di raccolta per dati TRIBICC e IBICC Perdita di energia (SRIM) Efficienza di raccolta ottenuta con lequazione aggiunta Efficienza di raccolta in funzione del tempo (TRIBICC)

19 26/10/2001 Bartolo Vissicchio19 Per la risoluzione numerica dellequazione aggiunta si utilizza un programma basato sul metodo alle differenze finite, precedentemente sviluppato dal Gruppo di Fisica dello Stato Solido INPUT Parametri di trasporto statici (PISCESII) PARAMETRO LIBERO 0 OUTPUT Profilo di efficienza ( (x,t)) Profilo di ionizzazione (SRIM) TRIBICC Funzione di trasferimento IBICC

20 26/10/2001 Bartolo Vissicchio20 Analisi dei dati IBICC ShT = 1 s Energia 4 MeV Energia 3 MeV Tempo di vita 0 = 3,4,5,6,7 s

21 26/10/2001 Bartolo Vissicchio21 Analisi dei dati IBICC ShT = 4 s Energia 4 MeV Tempo di vita 0 = 4,5,6 s Energia 3 MeV

22 26/10/2001 Bartolo Vissicchio22 100 Volt ShT=4 s ShT=1 s Analisi dei dati TRIBICC (4 MeV) Tempo di vita 0 = (5 1) s 50 Volt ShT=1 s ShT=4 s 200 Volt ShT=4 s ShT=1 s

23 26/10/2001 Bartolo Vissicchio23 Conclusioni La tecnica TRIBICC è adatta alla caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore. Il metodo dellequazione aggiunta permette uninterpretazione rigorosa dei dati sperimentali alla luce del teorema di Gunn. Le simulazioni forniscono risultati compatibili con i dati sperimentali assumendo un tempo di vita dei portatori minoritari di (5 1) s.