Modèle physique de prédiction des effets des événements singuliers destructifs dans les composants électroniques de puissance

by Sara Siconolfi

Doctoral thesis in Génie électrique

Under the supervision of Jean-Pierre David and Guillaume Hubert.

Thesis committee President: Patrick Austin.

Thesis committee members: Frédéric Darracq, Julien Mekki.

Examiners: Jean Luc Leray, Raoul Velazco.

  • Alternative Title

    A physical prediction model of destructive Single Event Effects in power electronics devices


  • Abstract

    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 predictionmodel 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 neededand 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.


  • Abstract

    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, lemodèle 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.


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