Lehrstuhl für Technische Elektrophysik - TU München

Physikalische Modellierung und numerische Simulation von elektronischen Leistungsbauelementen
 

Besonders in sicherheitsrelevanten Einsatzgebieten von Leistungsbauelementen sind ein vorhersagbares Verhalten und Zuverlässigkeit zentrale Eigenschaften. Oft bereitet es allerdings große Schwierigkeiten die Bauelemente in Nichtstandard-Arbeitspunkten messtechnisch zu untersuchen. In diesen Fällen ist die Simulation von Bauelementen leistungsfähiger als Messaufbauten, da auch Betriebszustände, die in Messumgebungen nur schwer erzielt werden können, detailliert numerisch untersucht werden können. Durch die Simulation wird ein tiefes physikalisches Verständnis der internen Vorgänge in den Bauelementen erlangt, welches sich in Messungen nur integral über das Klemmenverhalten der Bauelemente widerspiegelt.

Erhöhung des sicheren Arbeitsbereichs von Bauelementen

Höhenstrahlungsfestigkeit

Ein prominentes Beispiel ist die Robustheit von Bauelementen gegen Höhestrahlung (Abbildung 1). Messaufbauten zur Analyse der höhenstrahleninduzierten Versagens von Leistungsbauelementen sind einerseits kostenaufwändig und langwierig, andererseits zeigen die Ergebnisse von messtechnischen Untersuchungen nur die Ausfallwahrscheinlichkeiten und das Klemmenverhalten während der Ausfälle. Zur Optimierung der Bauelemente hinsichtlich der Höhenstrahlungsfestigkeit ist allerdings ein tiefes Verständnis der internen Vorgänge von Nöten. Hier bietet die Bauelementesimulation ein probates Mittel (Abbildung 2). Indem die Ursachen der Ausfälle genau untersucht werden, können die Bauelemente auch robuster gemacht werden.

     

Abbildung 1: Die durch Höhenstrahlung bedingten Neutronen können in elektronischen Bauteilen nur schwer abgeschirmt werden und daher zu deren Ausfall führen.

Abbildung 2: Das in das Bauelement einfallende Teilchen verursacht eine Spitze im elektrischen Feld, durch die weitere Elektronen und Löcher erzeugt werden. Ein Streamer breitet sich dann durch das Bauelement aus und führt ggf. zu dessen Zerstörung.

Randstrukturen

Häufig gilt, dass das schwächste Gebiet in einem Bauelement sein Rand ist. Zur Erhöhung des sicheren Arbeitsbereiches von Bauelementen ist daher die Optimierung der Randstrukturen ein viel versprechendes Mittel. Stromfilamentierung (Abbildungen 3 und 4), bedingt durch lokale Ladungträgermultiplikation in dem Rand des Bauelements, kann zu einem heißen Punkt und damit zum Ausfall des Bauelements führen. Sobald der genaue Ort im Bauelement, an dem der Durchbruch des Bauelementes beginnt, bestimmt ist, kann dieses Gebiet durch geeignete Veränderungen der Strukturdaten durch prädiktive Simulation optimiert werden.

     

Abbildung 3: Stromfilamente in den Randsgebieten eines IGBTs äußern sich durch Stromspitzen.

Abbildung 4: Das elektrische Feld wird aufgrund der durch Avalanche generierten Ladungsträger steiler, so dass die Avalanche-Stromdichte ansteigt.

Physikalische Modellierung

Simulationen und Messungen gehen Hand in Hand. Die Ergebnisse prädiktiver Simulationen sind nur so gut wie die in den Simulator implementierten physikalischen Modelle, die auf der Grundlage von Messwerten kalibriert werden (Abbildung 5).

Kalibrierung der Modellparameter

Physikalische Modelle werden durch die mathematische Beschreibung von physikalischen Vorgängen abgeleitet. So ermöglicht beispielsweise das tiefgehende Verständnis von Streuprozessen der Ladungsträger in einem Halbleitermaterial die mathematische Beschreibung der Abhängigkeiten der Ladungsträgerbeweglichkeiten von Temperatur und Dotierkonzentration. Prinzipiell ist klar, dass die Beweglichkeiten der Ladungsträger mit steigender Temperatur und steigender Dotierkonzentration abnehmen, da die Wahrscheinlichkeiten der Streuung an Gitterschwingungen und an ionisierten Störstellen steigen. Eine mathematische Formel wird abgeleitet, die die physikalischen Gesetzmäßigkeiten beschreibt. Um den Parameter eines solchen mathematischen Ausdrucks Werte zuzuweisen, werden die Modellparameter dann durch geeignete Messungen bestimmt (Abbildung 6).

 

Abbildung 5: Zur Kalibrierung von Modellparametern werden Messergebnissen  (reales Experiment) und Simulationsdaten (virtuelles Experiment) miteinander verglichen.

Abbildung 6: Der Hochtemperaturmessplatz ist geeignet um Strom-Spannungs-Charakteristiken  und Ladungsträgerbeweglichkeiten bis zu einer Temperatur von 700 °C zu bestimmen

Siliziumkarbid 

Kraft seiner physikalischen und technologischen Eigenschaften bietet sich Siliziumkarbid als Halbleitermaterial zur Herstellung von Bauelementen, deren Einsatzfelder bei großen Leistungen, hohen Temperaturen und schnellen Frequenzen liegen, an. Da sowohl das Halbleitermaterial als auch die Prozesse zur Herstellung von Bauelementen aus Siliziumkarbid teurer sind als für vergleichbare Siliziumbauelemente, erweist sich im Bereich der Siliziumkarbid-Bauelementeentwicklung und -optimierung die Bauelementesimulation als besonders hilfreich (Abbildung 7). Aufwändige Messapparaturen (Abbildung 8) dienen dazu, Siliziumkarbid-Bauelemente zu charakterisieren und aus den Ergebnissen der Messungen die für die Simulationen entscheidenden physikalischen Modellparameter zu kalibrieren.

   

Abbildung 7: Einfluss der Temperatur auf die Vorwärtskennlinie von hochsperrenden 4H-SiC-pin-Dioden. Mit zunehmender Temperatur wird die Kniespannung kleiner, da die intrinsische Löcherdichte größer wird, die Kurven werden steiler, weil die Ladungsträgerlebensdauern steigen.

Abbildung 8: Optische Messplattform zur elektrothermischen Charakterisierung von SiC-Bauelementen. Ein das Bauelement orthogonal zur Stromrichtung durchstrahlender Lichtstrahl wird dazu abhängig von den Betriebszuständen des Bauelementes nach dessen Intensität und Ablenkung untersucht.

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

TU München