Simulation der Degradation von Halbleiter-Trennschaltern
Das Institut ist in Kooperation mit anderen Universitäten und Industriepartnern am Verbundprojekt DriveBattery2015 beteiligt. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung intelligenter Steuerungs- und Verschaltungskonzepte für modulare Elektrofahrzeug-Batteriesysteme zur Steigerung der Effizienz und Sicherheit sowie zur Senkung der Systemkosten. Ein Teilprojekt dieses Verbundprojektes beschaftigt sich mit den dabei verwendeten Halbleiter-Trennschaltern, und das Institut beschäftigt sich dabei insbesondere mit der Simulation der Degradation solcher Bauelemente.
Die Degradation dieser Leistungshalbleitern beeinträchtigt deren funktionale Sicherheit, sodass ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse zu einer Verbesserung führen könnte. Es ist bekannt, dass die Degradation durch hochenergetische Ladungsträger (hot carriers- HC) im Bauelement verursacht wird. Treffen diese schnellen Ladungsträger auf die Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumdioxid, so reicht ihre Energie oft aus, ins Oxid einzudringen. Daher sammelt sich dort ortsfeste Ladung an. Dieser Prozess kann sich so lange fortsetzen, bis sich die elektrischen Felder im Bauelement dadurch stark ändern und das Bauelement schließlich nicht mehr benutzt werden kann. Zur Simulation von HC-Effekten bietet sich insbesondere die Boltzmann-Transportgleichung (BTG) an, da nur diese eine detaillierte Kenntnis der orts- und energieabhängigen Verteilungsfunktion von sowohl Elektronen als auch Löchern im Bauelement liefert. Vereinfachte Modelle wie das Drift-Diffusionsmodell, welches das gebräuchlichste Standardmodell von TCAD-Simulationssoftware in der Industrie ist, liefern nicht die energieaufgelösten Verteilungsfunktionen, sodass die HC-Effekte nur grob abgeschätzt werden können.
Das am Institut hauptsächlich verwendete Verfahren zur Lösung der BTG ist ein deterministisches Lösungsverfahren, bei welchem die BTG in Kugelflächenfunktionen entwickelt wird (spherical harmonics expansion - SHE). Das resultierende Gleichungssystem ist dann zwar wegen der vielen Ortsraumpunkte in einem Leistungsbauelement und dem weiten Energiebereich aufgrund der hohen angelegten Spannungen groß (bis zu ca. 50 Millionen Unbekannte), kann aber mit iterativen Lösungsalgorithmen mit geeigneten Stabilisierungs- und Diskretisierungsverfahren, welche ebenfalls am Institut entwickelt wurden, effizient gelöst werden.
Da die Leistungshalbleiter zum Teil nahe eines Lawinendurchbruchs betrieben werden, ist die numerische Behandlung der mit dem Lawinendurchbruch verbundenen Instabilitäten eine zusätzliche Herausforderung.
Es besteht die Möglichkeit, innerhalb einer Bachelor- oder Masterarbeit an diesem Projekt mitzuarbeiten. Dabei reichen die möglichen Arbeitsgebiete von der mathematischen Modellierung bis zur Entwicklung von Simulationssoftware.
Solltest du Interesse an einer Bachelor- oder Masterarbeit in diesem Gebiet haben, melde dich bei: