PID UTN con Incorporación en Programa de Incentivos
Código UTN: UTI3930
Fecha de Inicio: 01/01/2016 - Fecha de Finalización: 31/12/2018
Dirección: Dr. Gustavo Luis Demarco
Resumen
El Quemado por Evento Único (SEB, Single Event Burnout) es un fenómeno producido por la interacción de ciertos dispositivos semiconductores con iones pesados, afectando equipos electrónicos que operan en medioambientes radioactivos o sistemas espaciales. Uno de los dispositivos que ha demostrado ser susceptible a SEB es el transistor de potencia DMOS. El mismo presenta marcadas vulnerabilidades cuando se encuentra en el estado de no conducción bloqueando tensiones inversas elevadas.
La interacción ión-dispositivo enciende un transistores bipolar parásito presente en la estructura del DMOS, causando una concentración de corriente en una pequeña región a lo largo de la trayectoria del ión e incrementando la temperatura dentro del dispositivo. Generalmente, los efectos derivados de esta interacción conduce a la falla catastrófica del dispositivo. En medioambientes espaciales, por caso, esto podría provocar el fracaso de la misión. Más específicamente, el proceso SEB se inicia cuando un ión pesado atraviesa la región de fuente del transistor, generando un plasma denso de electrones y huecos a lo largo de camino del ión. Los electrones fluyen hacia el drenador y los huecos se alejan a través del colector hacia el contacto de cuerpo. Cuando el filamento se localiza cerca del canal del DMOS, la corriente de huecos genera una caída de voltaje que polariza en directo la región P con la de fuente. Esta polarización es máxima cerca del filamento y enciende el transistor NPN parásito más fuertemente. Bajo condiciones normales de operación, el dispositivo puede mantener campos eléctricos en la región de drenador del colector lo suficientemente altos como para causar una significativa multiplicación debida a efecto avalancha. De esta manera, cada electrón que entra en la región de colector causa el retorno de huecos a la base, incrementando la corriente y la caída de tensión. Este efecto regenerativo incrementa rápidamente la corriente de colector y produce la ruptura secundaria del transistor NPN lo cual conduce al colapso de la impedancia entre la fuente y el colector del transistor bipolar operado bajo condiciones de alto voltaje y alta corriente. El proceso térmico asociado a SEBs ha sido estudiado usando geometrías aproximadas, siendo postulada la fusión del silicio como el mecanismo de falla dominante. Este mecanismo ha sido el aceptado hasta que los trabajos de este grupo de investigación (GECAM-FRVM), mostraron que el estrés mecánico debe ser considerado como posible mecanismo de falla. En efecto, los efectos mecánicos que tienen lugar en las múltiples capas de la estructura del transistor, no habían sido estudiados hasta las contribuciones mencionadas. Estos efectos se producen por los gradientes de temperatura que se observan durante la evolución del proceso SEB, los cuales inducen campos de tensiones mecánicas que pueden alcanzar valores más allá de los admisibles. Los trabajos realizados hasta el presente en el GECAM, si bien han considerado una estructura de transistor más realista que las anteriormente utilizadas por otros grupos, se han basado en simulaciones utilizando el método de elementos finitos con modelos en dos dimensiones. Por otro lado, la estructura del transistor utilizada responde a la topología denominada atómica. Estas consideraciones han permitido resolver el problema con costos computacionales razonables. En el presente plan de investigación se propone extender los estudios utilizando modelos del transistor en 3D, con el objetivo de considerar posiciones de la fuente de generación de calor que sean más realistas que las anteriormente consideradas. Se efectuarán estudios sobre otras topologías de transistores DMOS, diferentes de la atómica. Otros dispositivos semiconductores para los cuales se han observado fenómenos similares (diodos de potencia) también serán estudiados en el presente plan de investigación. Se extenderán los estudios termoelásticos a otras condiciones de operación de los dispositivos de potencia, como los casos de corrientes pulsadas que son comunes en aplicaciones industriales. Esto implicará un modelado diferente del dispositivo y la consideración de otros mecanismos de falla posibles.