Halbleitersimulation

Um das Verhalten von Leistungsbauelementen insbesondere in Überlastsituationen verstehen zu können, sind fundierte Kenntnisse über Vorgänge im Inneren des Halbleiters notwendig. Parameter wie Ladungsträgerkonzentrationen oder Temperatur- und Stromverteilungen innerhalb des Chips sind schwierig zu messen, jedoch notwendig um das Limit des Bauteils abzuschätzen. An diesem Punkt unterstützen Halbleitersimulationen die Messung mit zusätzlichen Informationen.

An der Professur für Leistungselektronik ist die Simulationssoftware TCAD am gebräuchlichsten. Mit TCAD kann neben der Halbleiterfabrikation auch die Funktionsweise eines modellierten Halbleiters in verschiedenen Arbeitspunkten simuliert werden. Ziel der Modellierung mittels TCAD ist dabei die möglichst genaue Abbildung des zu untersuchenden Bauteils anhand von Messungen.

Es gibt zahlreiche Simulationsmöglichkeiten, die mit TCAD realisiert werden können. Zusammengefasst könnte TCAD wie folgt beschrieben werden:

• Eine umfangreiche Auswahl an Effekten der Halbleiterphysik (Driftdiffusion, Thermodynamik ...)
• Modellierung von verschiedenen Geometrien je nach Anforderung der Aufgabenstellung (1D, 2D, 3D, und 2D zylindrisch)
• Kombination von elektro-thermischen Simulationen basierend auf Netzlisten mit Bauteildiskretisierungen

Aufgrund zahlreicher Projekte und Forschungsarbeiten kann eine umfangreiche Auswahl an verschiedenen Simulationen realisiert werden:

Bauteilsimulationen von verschiedenen Materialien wie Silizium (Si), 4H-Siliziumkarbid (4H-SiC), Galliumarsenid (GaAs). Zukünftig sollen ebenso Simulationen mit Galliumnitrid (GaN) möglich sein Design von Leistungshalbleitern and Bauteilsimulationen von Bauteilen wie Dioden (PiN, Schottky, MPS), MOSFET, IGBT, Transistoren oder Thyristoren 2-D, 3-D Simulationen mit bis zu zwei Millionen Elementen für Strukturen breiter als 1600 μm und verschiedenen Spannungsklassen Arten von Simulationen: Einzelne Bauteile, einzelne Bauteile mit zusätzlich elektrischem Schaltkreis, sowie mehrere Bauteile inklusive elektrischem Schaltkreis

Stromdichte und Temperaturentwicklung während eines Kurzschlusses eines HV-IGBTs

Detaillierte Ansicht der Gate Struktur eines modellierten Trench-Gate-IGBTs

Die Formation von Stromfilamenten in IGBTs während eines oder mehrerer Kurzschlussevents konnte für verschiedene Spannungsklassen simuliert und der Injection Enhanced Floating Emitter (IEFE) IGBT als strukturelle Gegenmaßnahme entwickelt werden Stoßstromsimulationen für Silizium IGBTs 4H-SiC MPS Dioden und 4H-SiC MOSFETs Bauteilsimulation von Single Event Burnout (SEB) in PiN Dioden Bauteilsimulationen für verschiedene Kurzschlusstypen (I, II, III) und Implementierung von Kurzschlussdetektionslösungen In der Zukunft - Simulation von Alterungsmechanismen in IGBTs und anderen Bauteilen