علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

بررسی رخداد سوختن تک‌حادثه‌ای (SEB) در یک دیود پین ولتاژ- بالا به کمک شبیه‌سازی

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسنده
دکتری ، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران، ایران
چکیده
به‌کارگیری قطعات الکترونیک در فضا، پتانسیل تخریب آن­ها را به دلیل وقوع رخدادهای تک­حادثه­ای (SEE) به دنبال خواهد داشت که دسته­بندی­های متعددی برای آن وجود دارد. یکی از این دسته‌بندی­ها که به‌طورگسترده بر عملکرد قطعات ولتاژ- بالا در کاربردهای فضایی تأثیر می­گذارد، رخداد سوختن تک‌حادثه­ای (SEB) است که با عبور ذرات پرانرژی از این قطعات در وضعیت بایاس معکوس روی می­دهد و سبب از بین رفتن عملکرد صحیح و در نهایت، سوختن آن­ها می­شود. در این پژوهش، وقوع رخداد SEB در یک دیود PiN ولتاژ - بالا به کمک شبیه­سازی با استفاده از نرم­افزارSilvaco TCAD مورد بررسی قرار گرفته است. ضرورت این بررسی، به واسطه استفاده روزافزون قطعات ولتاژ-بالا در سامانه­های فضایی ایجاب شده است. برای این منظور در ابتدا، ساختار یک دیود پین با ولتاژ شکست 3/3 کیلوولت به کمک مدل­های فیزیکی مناسب در نرم­افزار، شبیه­سازی و منحنی مشخصه آن به‌دست آورده شد. در این پژوهش، یون­های کربن به عنوان یکی از یون­های موجود در فضا انتخاب شدند. در گام بعد، یون­های فرودی کربن با مقادیر مختلف LET به آن تابانیده و تغییرات ایجاد شده در غلظت حامل­ها، همچنین جریان و میدان الکتریکی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند پس از برخورد یو­ن­ها، میدان الکتریکی به شکل موضعی تا 5 برابر افزایش یافته و غلظت حامل­ها زیاد می­شود که منجر به افزایش شدید جریان و نیز افزایش دما تا 1800 درجه کلوین (فراتر از نقطه ذوب سیلیکون) می­گردد. این شرایط نشان­دهنده از کارافتادگی و سوختن دائمی دیود در نتیجه ایجاد گرمایش موضعی است که به واسطه تکثیر بسیار زیاد حامل­ها در میدان الکتریکی بالای درون قطعه به وجود آمده است. نتیجه حاصل، با آزمون­های تجربی که پیشتر توسط محققان انجام شده بود، مطابقت دارد. بدین ترتیب، توانمندی نرم­افزار Silvaco برای شبیه‌سازی رخداد SEB مورد تأیید قرار می­گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] V. Madonna, P. Giangrande, and M. Galea, "Electrical power generation in aircraft: review, challenges, and opportunities," IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 4, no. 3, pp. 646-659, 2018, https://doi.org/10.1109/TTE.2018.2834142.
[2] S. Gollapudi and I. Omura, "Altitude dependent failure rate calculation for high power semiconductor devices in aviation electronics," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 60, 2021. Art. no. SBBD19, https://doi.org/10.35848/1347-4065/abebc0.
[3] L. Khurelbaatar et al., "Space radiation induced failure rate calculation method using energy deposition probability function for high-voltage semiconductor device," MaterialsToday Communications, vol. 35, 2023, Art. no. 105499, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105499.
[4] G. Soelkner, W. Kaindlb, H. Schulzea, and G. Wachutkab, "Reliability of power electronic devices against cosmic radiation-induced failure," Microelectron Reliability, vol. 44, pp. 1399-1406, 2004, https://doi.org/10.1016/j.microrel.2004.07.024.
[5] P. E. Dodd and L. W. Massengill, "Basic mechanisms and modeling of single-event upset in digital microelectronics," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 50, no. 3, pp. 583-602, 2003, https;//doi.org/10.1109/TNS.2003.813129.
[6] G. Raisali, M. Soleimaninia, and A. Moslehi, "Determination of the sensitive volume and critical charge for induction of seu in nanometer srams," Journal of Space Science and Technology, vol. 16, no. 2, pp. 43-54, 2023, https://doi.org/10.30699/jsst.2023.1423.
[7] W. Bendel and E. Petersen, "Proton upsets in orbit," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 30, no. 6, pp. 4481-4485, 1983, https://doi.org/10.1109/TNS.1983.4333158.
[8] M. Ciappa and M. Pocaterra, "Characterization of the onset of carrier multiplication in power devices by a collimated radioactive alpha source," Microelectronics Reliability, vol. 100-101, 2019, Art. no. 113343, https://doi.org/10.1016/j.microrel.2019.06.035.
[9] A. Waskiewicz, J. Groninger, V. Strahan, and D. Long, "Burnout of power mos transistors with heavy ions of californium-252," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 33, no. 6, pp. 1710-1713, 1986, https://doi.org/10.1109/TNS.1986.4334670.
[10] J. L. Titus, G. H. Johnson, R. D. Schrimpf, and K. F. Galloway, "Single-event burnout of power bipolar junction transistors," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 38, no. 6, pp. 1315-1322, 1991, https://doi.org/10.1109/23.124111.
[11] H. Kabza et al., "Cosmic radiation as a cause for power device failure and possible countermeasures," in 6th International Symposium on Power Semiconductor Devices and Ics, Davos, Switzerland, 1994, pp. 9-12, https://doi.org/10.1109/SPSD.1994.583620.
[12] H.-R. Zeller, "Cosmic ray induced breakdown in high voltage semiconductor devices, microscopic model and phenomenological lifetime prediction," in 6th International Symposium on Power Semiconductor Devices and Ics, Davos, Switzerland, 1994, pp. 339-340, https://doi.org/10.1109/ISPSD.1994.583762.
[13] X.-X. Fei, Y. Wang, X. Luo, M.-T. Bao, C.-H. Yu, and X.-J. Li, "Research of single-event burnout and hardened GaN MISFET with embedded PN junction," Microelectronics Reliability, vol. 110, 2020, Art. no. 113699, https://doi.org/ 10.1016/j.microrel.2020.113699.
[14] J. Lu et al., "Impact of varied buffer layer designs on single-event response of 1.2-kV SiC power MOSFETs," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 67, no. 9, pp. 3698-3704, 2020, https://doi.org/10.1109/TED.2020.3008398.
[15] M. Pocaterra and M. Ciappa, "Single event burnout failures caused in silicon carbide power devices by alpha particles emitted from radionuclides," e-Prime-Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, vol. 5, 2023, Art. no. 100203, https://doi.org/10.1016/j.prime.2023.100203.
[16] P. Gromova et al., "Heavy-ion-induced single event burnout in SiC Schottky diodes: Safe operating area," in 31st International Conference on Microelectronics (MIEL), Nis, Serbia, 2019, pp. 71-74, 2019, https://doi.org/10.1109/MIEL .2019. 8889645.
[17] M. T. Littlefair, S. Simdyankin, S. Turvey, C. Groves, and A. B. Horsfall, "Single event burnout sensitivity of SiC and Si," Semiconductor Science and Technology, vol. 37, no. 6, p. 065013, 2022, https://doi.org/10.1088/1361-6641/ac668c.
[18] A. Luu et al., "Sensitive volume and triggering criteria of SEB in classic planar VDMOS," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 57, no. 4, pp. 1900-1907, 2010, https://doi.org/10.1109/TNS.2010.2044808.
[19]‌ A. K. Srivastava, N. Saini, P. Chatterjee, T. Michael, and S. Patyal, "TCAD simulation of the mixed irradiated n-MCz Si detector: Impact on space charges, electric field distribution," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 1049, 2023, Art. no. 168031, https://doi.org/10.1016/j.nima.2023.168031.
[20] X. Liao, Y. Liu, C. Xu, J. Li, and Y. Yang, "Single event burnout hardening technique for high-voltage pin diodes with field limiting rings termination structure," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 69, no. 2, pp. 675-681, 2022, https://doi.org/10.1109/TED.2021.3137135.
[21] A. M. Albadri, R. Schrimpf, D. Walker, and S. Mahajan, "Coupled electro-thermal simulations of single event burnout in power diodes," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 52, no. 6, pp. 2194-2199, 2005, https://doi.org/10.1109/TNS. 2005. 860691.
[22] J. F. Ziegler, J. P. Biersack, and M. D. Ziegler, SRIM, the Stopping and Range of Ions in Matter. SRIM Company, 2008.
[23] D. Walker, T. Fisher, A. Al-badri, and R. Schrimpf, "Simulation of single-event failure in power diodes," in ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Heat Transfer, Volume 7 New Orleans, Louisiana, USA, 2002, pp. 39-45, https://doi.org/10.1115/IMECE2002-32116.
[24] A. Albadri, R. D. Schrimpf, K. F. Galloway, and D. G. Walker, "Single event burnout in power diodes: Mechanisms and models," Microelectronics Reliability, vol. 46, no. 2-4, pp. 317-325, 2006, https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.06.015
دوره 17، شماره 3
1403
صفحه 71-82

  • تاریخ دریافت 15 فروردین 1403
  • تاریخ بازنگری 19 خرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 21 خرداد 1403
  • تاریخ اولین انتشار 03 تیر 1403