Relatore : Prof. Claudio Manfredotti

1. Relatore: Prof. Claudio Manfredotti APPLICAZIONE DEL METODO DELLA EQUAZIONE AGGIUNTA A DATI TRIBICC OTTENUTI SU DISPOSITIVI DI POTENZA AL SILICIO. • Candidato: • Bartolo Vissicchio Collaborazioni: International Rectifier Corporazione Italiana, Borgaro Torinese. Rudjer Boskovic Institute, Zagabria (HR). Bartolo Vissicchio

2. Sommario • Tecnica IBICC e dati TRIBICC (Time Resolved Ion Beam Induced Charge Collection). • Il diodo Mesa Rectifier 168. • Il teorema di Ramo e il teorema di Gunn. • Metodo dell’equazione aggiunta. • Analisi dei profili di efficienza mediante il metodo dell’equazione aggiunta. • Conclusioni. Bartolo Vissicchio

3. Dati IBICC Dati TRIBICC Scopo della Tesi Misura del tempo di vita medio dei portatori minoritari nella base del dispositivo Bartolo Vissicchio

4. Tempo di vita SIMULATORE Progettazione Realizzazione dispositivo Motivazione Utilizzare una tecnica affidabile per valutare il tempo di vita dei portatori minoritari, da inserire come dato di input in simulatori ad uso industriale, per l’ottimizzazione delle prestazioni dei dispositivi a semiconduttore. Bartolo Vissicchio

5. Evoluzione temporale della corrente indotta Campione Tempo di vita Eccitazione (creazione di coppie e-h) Iniezione elettronica: Reverse Recovery (RR) Fascio di fotoni: Photoconductive decay (PCD) Vantaggi: Semplice sistema di misura. Svantaggi: Svantaggi: Approssimazione giunzione brusca. Valutazione capacità/induttanze parassite. Non applicabile a tutti i dispositivi. Notevole dipendenza dalla velocità di ricombinazione superficiale. Metodi di misura del tempo di vita Bartolo Vissicchio

6. Possibilità di controllare la profondità ed il profilo di generazione. • Applicabile a dispositivi ultimati. Vantaggi • Uso di un acceleratore. • Danneggiamento campioni. Svantaggi Risolvibile con fasci ionici rarefatti (<1000 ioni/s) Microscopia ionica IBICC (Ion Beam Induced Charge Collection) Bartolo Vissicchio

7. Carica raccolta Energia dello ione incidente Energia di creazione e-h, Si (3.6 eV) Carica generata Apparato Sperimentale (IBICC)Misure eseguite presso il Rudjer Boskovic Institute, Zagabria (HR) Osservabile: Efficienza di raccolta Bartolo Vissicchio

8. Dati TRIBICC (normalizzati) Spettri IBICC ad energia 4 MeV Spettri IBICC a 100V Dati TRIBICC e IBICC Bartolo Vissicchio

9. Protoni a 3 MeV Protoni a 2 MeV Protoni a 4 MeV Picco 47 m Picco 147 m Picco 90 m 100m 100m 50m Perdita di energiaSRIM (Stopping and Range of Ion in Matter) Protoni in Mesa Rectifier 168 La generazione avviene principalmente a fine range (picco di Bragg). La profondità di penetrazione dipende dall’energia del fascio. L’elettrodo assorbe poca energia ( 1%) Bartolo Vissicchio

10. Profilo di drogaggio ottenuto attraverso la tecnica Spreading Resistance, effettuata nei laboratori della Solecon Laboratories Incorporated, California (U.S.A.). Prodotto dalla IRCI ed utilizzato nella costruzione di saldatrici industriali. Il diodo Mesa Rectifier 168 • Caratteristiche elettriche: • Classe 1200 V (corrente < 5mA). • Corrente diretta 40 A a 1,30 V. Bartolo Vissicchio

11. Campo elettrico in polarizzazione inversa Andamento ricavato attraverso il codice di simulazione numerica PISCESII. Le tensioni sono quelle adoperate durante le misure sperimentali. 2MeV 3MeV 4MeV Bartolo Vissicchio

12. Ottenuta tramite PISCESII Elettroni Velocità di saturazione 107cm/s Lacune Mobilità dei portatori Bartolo Vissicchio

13. Variabile Drogaggio Tempo di vita dei portatori Bartolo Vissicchio

14. Corrente indotta: V e E campo elettrico dovuto alla tensione applicata. Corrente indotta: densità di corrente dovuta al campo elettrico totale Teorema di Ramo S.Ramo, “Proc. of IRE 27” (1939), 584. La carica indotta agli elettrodi è dovuta al moto dei portatori soggetti al campo elettrico E. • Generalizzazione del teorema considerando la presenza di • carica spaziale in condizioni di svuotamento totale • G.Cavalleri, G.Fabri, E.Gatti, V.Svelto, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 21 (1971), 177. Bartolo Vissicchio

15. Corrente indotta Osservabile: Efficienza di raccolta Occorre valutare la concentrazione dei portatori per ogni punto di generazione Occorre conoscere tutti i parametri di trasporto statici del diodo (tempo di vita, campo elettrico e mobilità). Risolvere equazione di continuità Output di PISCESII Teorema di GunnJ.B. Gunn, “A general expression for electrostatic induction and its applicantion to semiconductor devices”, Solid State Electronics, Pergamon Press 1964. Vol.7, 739 – 742. Generalizzazione del teorema di Ramo per dispositivi parzialmente svuotati e con distribuzione di carica spaziale dipendente dal potenziale applicato. Bartolo Vissicchio

16. Elettroni Lacune Funzione di generazione G* La funzione di generazione di Gunn definisce univocamente la regione di svuotamento. Bartolo Vissicchio

17. Metodo dell’equazione aggiunta Equazione di continuità per gli elettroni Equazione aggiunta corrispondente Soluzione equazione aggiunta Efficienza di raccolta Risolvendo numericamente l’equazione aggiunta dell’equazione di continuità dei portatori, utilizzando il termine di Gunn quale funzione generatrice, si ottiene il profilo di efficienza di raccolta. Bartolo Vissicchio

18. Efficienza di raccolta ottenuta con l’equazione aggiunta Efficienza di raccolta in funzione del tempo (TRIBICC) Perdita di energia (SRIM) Funzione di trasferimento dell’amplificatore Efficienza di raccolta, ad un dato shaping time, in funzione della tensione di polarizzazione inversa (IBICC) Tempo di integrazione (shaping time) Efficienza di raccolta per dati TRIBICC e IBICC Bartolo Vissicchio

19. Parametri di trasporto statici (PISCESII) PARAMETRO LIBERO 0 INPUT OUTPUT Profilo di efficienza ((x,t)) Profilo di ionizzazione (SRIM) TRIBICC Funzione di trasferimento IBICC Per la risoluzione numerica dell’equazione aggiunta si utilizza un programma basato sul metodo alle differenze finite, precedentemente sviluppato dal Gruppo di Fisica dello Stato Solido Bartolo Vissicchio

20. Energia 4 MeV Energia 3 MeV Analisi dei dati IBICC ShT = 1 s Tempo di vita 0 = 3,4,5,6,7 s Bartolo Vissicchio

21. Energia 4 MeV Energia 3 MeV Analisi dei dati IBICCShT = 4 s Tempo di vita 0 = 4,5,6 s Bartolo Vissicchio

22. ShT=4s ShT=4s 50 Volt 100 Volt ShT=1s ShT=1s 200 Volt ShT=4s ShT=1s Analisi dei dati TRIBICC (4 MeV) Tempo di vita 0 = (5  1) s Bartolo Vissicchio

23. Conclusioni • La tecnica TRIBICC è adatta alla caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore. • Il metodo dell’equazione aggiunta permette un’interpretazione rigorosa dei dati sperimentali alla luce del teorema di Gunn. • Le simulazioni forniscono risultati compatibili con i dati sperimentali assumendo un tempo di vita dei portatori minoritari di (5  1) s. Bartolo Vissicchio