ASEPS: Simulator des Durchbruchverhaltens von Leistungstransistoren

Kurzbeschreibung

Eine exakte Lösung der Maxwell'schen Gleichungen ist sehr rechen-intensiv. Falls wir aber nur daran interessiert sind, das Verhalten der Dioden im sperrenden Bereich zu analysieren, bieten sich Vereinfachungen der Maxwell'schen Gleichungen an, wodurch die Rechengeschwindigkeit ohne merkliche Beeinträchtigung der Rechengenauigkeit um ein vielfaches (ca. um einen Faktor 100) reduziert werden kann.

Diese Vereinfachungen wurden in ASEPS realisiert, damit auch grössere Strukturen, z.B. mehrere Transistoren mit gemeinsamem Substrat, rechen-effizient simuliert werden können.

Wenn Leistungstransistoren ionisierender Strahlung ausgesetzt werden, wie z.B. bei langen Weltraumflügen oder unter dem Einfluss des elektromagnetischen Pulses (EMP) nach dem Zünden einer Atombombe in der Atmosphäre, werden diese zerstört, da sich unzulässig grosse elektromagnetische Felder aufbauen können. Um diesem Problem vorzubeugen, ist es nötig, die Transistoren gegen diese Strahlung zu schützen, indem sie in einer Abschluss-Struktur eingebettet werden. ASEPS eignet sich sehr gut zur Simulation solcher Abschluss-Strukturen.

Mit zunehmender Leistungskraft moderner Rechensysteme wurden die Einsparungen, die ASEPS ermöglichte, weniger wichtig. Es wurde möglich, grössere Strukturen auch mit allgemeineren Halbleitersimulatoren, wie z.B. den Pisces Simulator von Stanford University, in vernünftiger Rechenzeit durchzuführen. Aus diesem Grunde wurde die Arbeit an ASEPS in den frühen 90-er Jahren eingestellt.

Historische Entwicklung

• ASEPS wurde zunächst im Auftrag von Burr Brown (heute Texas Instruments) in Tucson, Arizona entwickelt. Burr Brown war ein führender Hersteller linearer Leistungsverstärker, wie sie z.B. in der Unterhaltungselektronik zum Einstatz gebracht werden. Leistungsverstärker werden aber auch in der Kommunikationstechnik verwendet, z.B. in geostationär positionierten Satelliten, welche über lange Zeit hinweg harter Strahlung ausgesetzt sind. In diesem Zusammenhang war Burr Brown an der Entwicklung von ASEPS interessiert. ASEPS wurde hier zur Simulation von bipolaren Leistungstransistoren eingestzt.

• Die Entwicklungsarbeit wurde später in mehereren Projekten fortgesetzt, die von der amerikanischen Defense Nuclear Agency (DNA) getragen wurden. Bei diesen Forschungsprojekten ging es im Wesentlichen um die Entwicklung geeigneter Abschluss-Strukturen für Leistungs-MOSFET Transistoren, welche die Halbleiterelemente gegen den Einfluss des elektro-magnetischen Pulses (EMP) schützen sollten.

• Auch die NASA war an unseren Forschungsergebnissen sehr interessiert. Insbesondere bei Flügen ins innere Sonnensystem (Planeten Merkur und Venus) sind strahlungsgehärtete Leistungstransistoren von grosser Wichtigkeit, da die Weltraumsonden bei solchen Flügen ionisierender radioaktiver Strahlung wesentlich stärker ausgesetzt sind.

Wichtigste Publikationen

1. Wu, Q.M., and F.E. Cellier (1986), Simulation of High-Voltage Bipolar Devices in the Neighborhood of Breakdown, Mathematics and Computers in Simulation, 28, pp.271-284.

2. Wu, Q.M., C.M. Yen, and F.E. Cellier (1989), Analysis of Breakdown Phenomena in High-Voltage Bipolar Devices, Transactions of SCS, 6(1), pp.43-60.

3. Davis, K.R., R.D. Schrimpf, F.E. Cellier, K.F. Galloway, D.I. Burton, and C.F. Wheatley, Jr. (1989), The Effects of Ionizing Radiation on Power-MOSFET Termination Structures, IEEE Trans. Nuclear Science, 36(6), pp.2104-2109.

4. Kosier, S.L., R.D. Schrimpf, F.E. Cellier, and K.F. Galloway (1990), The Effects of Ionizing Radiation on the Breakdown Voltage of P-Channel Power MOSFETs, IEEE Trans. Nuclear Science, 37(6), pp.2076-2082.

5. Kosier, S.L., R.D. Schrimpf, K.F. Galloway, and F.E. Cellier (1991), Predicting Worst-Case Charge Buildup in Power-Device Field Oxides, IEEE Trans. Nuclear Science, 38(6), pp.1383-1390.

Sponsoren

• Burr Brown, Inc.
• U.S. Defense Nuclear Agency

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