A physical prediction model of destructive Single Event Effects in power electronics devices
Modèle physique de prédiction des effets des événements singuliers destructifs dans les composants électroniques de puissance
Résumé
The natural radiation environment has proved to be particularly harsh on power electronics
devices. It is characterized by electrically charged particles such as heavy ions and protons
among others. In particular, inside the atmosphere it has now become essential to estimate the
effects of these particles: power MOSFETs in fact are widely used because of their appealing
electrical characteristics and costs, thus making the prediction of destructive effects one of the
fundamental parts of the project. This work focuses on the prediction of Single Event Burnout
(SEB) inside power MOSFETs: based on physical analysis through TCAD simulations, the
prediction model DELPHY is built in order to calculate occurrence rates of heavy ion and
proton induced SEB.
SEB consists of a charge generation inside the device, which evolves into a high and
self-sustained current, whose main consequence is the thermal destruction of the component.
SEB has been deeply studied in several aspects: it is now established that it depends on
multiple factors, such as component geometry, doping and bias; particle nature and Linear
Energy Transfer, impact location and angle. A power electronics designer does not have
control over all the cited parameters, and the trade-off between cost and functionality limits
the application of hardness measures at circuit and device level. For this reason, a SEB rate
prediction model is needed and represents the object of this work.
DELPHY model moves from physical analysis of SEB, performed with TCAD 2D simulations,
in order to control the aforementioned factors which are relevant for the phenomenon.
Two different MOSFET topologies have been studied (HEXFET and STRIPFET). Starting
from this analysis, an empirical triggering law has been calculated and a SEB criterion based
on electric field and charge deposition inside the epitaxial layer has been defined. SEB cross
sections have then been calculated for heavy ion impacts. Taking into account the differential
probability of secondary generation by proton impact, a SEB rate has been predicted also
for proton induced SEB.
All the calculated cross sections have been successfully compared to experimental data:
firstly from a device characterization published by CNES; and secondly in the frame of a dedicated
joint study ONERA-CERN to characterize next generation of Large Hadron Collider
power converters. As a general conclusion, DELPHY model leads the way as a valid SEB
prediction tool and opens new roads for enhancement of SEB rates estimation.
L’environnement radiatif naturel est connu pour être sévère sur les composants électroniques
de puissance. Il est caractérisé par des particules chargées électriquement, notamment des
ions lourds et des protons. Dans le contexte avionique, c’est maintenant essentiel d’estimer
les effets de dites particules : les MOSFETs de puissance sont en fait largement utilisés pour
les caractéristiques électriques et le coût. Cette étude s’occupe de la prédiction du Single
Event Effect (SEB) dans les MOSFETs de puissance : sur la base d’une analyse physique à
travers des simulations TCAD, le modèle de prédiction DELPHY est construit pour calculer
les taux d’occurrence du SEB généré par ions lourds et protons.
Le SEB provient de la génération d’une charge dans le composant, qui évolue via un
courant élevé et auto-alimenté, ayant comme conséquence la destruction thermique du composant.
Le SEB a été étudié dans ses différents aspects : c’est admit qu’il dépend de plusieurs
facteurs, notamment la géométrie du composant, son dopage et sa polarisation ; la nature
et le LET (Linear Energy Transfer) de la particule, le lieu et l’angle d’impact. Tous ces
paramètres ne peuvent pas être contrôlés, et le compromis entre le coût et la fonctionnalité
limite la mise en place des solutions de durcissement. Pour cette raison, un modèle de
prédiction de l’occurrence SEB est nécessaire, ce qui fait l’objet de cette étude.
Le modèle DELPHY est basé sur l’analyse physique du Single Event Burnout, à travers
la simulation composant 2D TCAD, afin de maîtriser les paramètres cités auparavant qui
sont pertinents pour le phénomène. Deux différentes topologies de composant on été étudiées
(HEXFET et STRIPFET). A partir de cette analyse, une loi empirique de déclenchement
a été calculée et un critère SEB basé sur le champ électrique et la charge déposée dans la
couche epitaxiée a été défini. Les sections efficaces SEB ont été calculées pour des injections
d’ions lourds. En prenant en compte la probabilité différentielle de génération des particules
secondaires sous impact proton, les taux SEB ont été prédis aussi pour le cas du SEB généré
par les protons.
Toutes les sections efficaces calculées ont été comparées avec succès aux données expérimentales
: d’abord avec les caractérisations composant publiées par le CNES ; en suite dans
le cadre d’une étude spécifique commune ONERA-CERN afin de caractériser la prochaine
génération des convertisseurs de puissance dans le Large Hadron Collider. DELPHY propose
donc d’avoir un rôle essentiel comme instrument de prédiction SEB, et trace la route pour
une amélioration de l’estimation des taux SEB.
Loading...