【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种功率器件辐射损伤模拟方法。
技术介绍
1、功率开关器件广泛应用于整流器、开关电源及变频器等众多变换器中，几乎涉及所有电力电子产品。由功率器件组成的电源系统对于卫星、空间站等航天器飞行任务的正常执行非常重要。功率器件常用在电源系统中的dc/dc转换器中，作为电源系统的核心元器件，空间辐射环境中的各种高能粒子和宇宙射线对这种功率器件的正常工作影响很大，对其阈值电压、转移特性和击穿电压等电学特性产生持续的影响，严重影响了航天器的正常运行和使用寿命。
2、太阳宇宙射线是由太阳耀斑活动产生喷射出的高能粒子流，高能质子是其主要组成成分，与电子相似的是都通过库伦作用与物质相互作用。但由于质子质量远大于电子，其产生的辐照损伤比电子辐照损伤更严重。质子入射功率器件，不仅会产生电离损伤，同时伴随位移损伤，对器件材料造成的微观损伤缺陷。在器件应用于高电压、大电流环境中时这些缺陷可能会严重影响器件的电学性能，甚至可能导致器件发生故障而失效。
3、目前的鉴别方法是单纯考虑位移损伤或者电离损伤，单纯使用某款软件来调节辐照条件、器件偏置条件等参数并结合载流子浓度、电流密度、电场强度等综合电参数分布，单独讨论位移损伤或电离损伤对功率器件的影响；但实际上，质子辐照半导体器件是一个复杂的过程，质子辐照功率器件与离子入射的位置、入射方向、器件内部电场的分布、入射能量以及器件的其它特性有关。不仅存在电离效应同时存在位移效应，针对此现象，传统方法分别对器件辐射损伤进行评判，过于单一，缺乏一种快速、耗时少、经济、灵活、全面的开展功
技术实现思路
1、专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种基于geant4及tcad的功率器件质子辐射损伤模拟方法。
2、技术方案：一种基于geant4及tcad的功率器件质子辐射损伤模拟方法，包括：
3、步骤1：根据待仿真功率器件的设计和工艺参数，通过geant4软件构建功率器件的几何模型；
4、步骤2：在geant4软件对步骤1中建立的模型进行质子辐照仿真模拟，模拟功率器件受到质子辐照后的辐射损伤过程；其中，辐照仿真采用弹性散射或非弹性散射物理模型，并模拟不同注量、不同能量下入射粒子在功率器件内部的粒子运动轨迹及功率器件不同材料之间的空位缺陷密度，以及电离能损与非电离能损；
5、步骤3：根据功率器件的设计和工艺参数，通过tcad软件对所述功率器件进行二维建模，之后进行网格划分，生成网格化的器件结构；
6、步骤4：在步骤3基础上进行tcad器件电学仿真，得出所述功率器件的典型电学参数或曲线，再对比器件产品手册中的相应电学参数或曲线，优化校准器件的工艺参数，最终使电学仿真结果和器件产品手册相符；其中，所述典型电学参数或曲线包括转移特性曲线、输出特性曲线和击穿电压；所述器件的工艺参数包括衬底、漂移区、体区以及源区尺寸、浓度；
7、步骤5：将步骤2得到的仿真结果作为输入，加入步骤4优化校准后的电学模型中，得到辐照后的器件损伤模型；
8、步骤6：利用步骤5得到的所述损伤模型，进行辐照后电学特性的计算，得到辐照前后电学特性曲线的变化；通过观察所述功率器件在质子辐照前后的微观物理量分布图，得出所述功率器件在辐照后相应的敏感位置。
9、进一步的，所述步骤5包括如下具体步骤：
10、步骤5-1：首先，将步骤2所得的非电离能损大小与空位缺陷密度输入到步骤4建立的电学模型中，同时根据步骤2所得的缺陷信息，定义粒子损伤因子与缺陷能级；通过观察器件在质子辐照前后的微观物理量分布图，得到器件质子辐射后因为位移损伤带来的施主缺陷和受主缺陷的分布；通过此步骤，得到功率器件质子辐照后的位移损伤模型；
11、步骤5-2：以步骤2的电离损伤大小作为输入，加入到步骤5-1建立的位移损伤模型中，设置器件的界面电荷数量与表面电荷数量，并在半导体带隙内以离散能级激活界面缺陷陷阱；然后使用泊松方程、电子与空穴电流连续性方程和电子和空穴俘获方程计算相应电离损伤下的电学特性，便得仿真质子辐照器件后辐射损伤的准确模型。
12、进一步的，若所述功率器件中存在绝缘体结构，所述步骤5-2中，将绝缘体视为宽带隙半导体处理，加入半导体参数语句。
13、有益效果：针对现有技术中存在的问题，本专利技术针对空间质子对器件产生的辐射损伤，提供一种基于geant4和tcad软件的半导体辐射损伤模拟方法，该方法创新性地提出了将geant4软件和tcad软件模拟结合，通过geant4软件的输出实现使用tcad软件对功率器件建立电学模型、位移损伤模型，实现在不同能量、不同注量下，质子辐照对功率器件发生的电离损伤与非电量损伤进行计算；并通过计算结果对由质子引起的缺陷态密度、缺陷能级等参数改变跟踪辐照前后某些重要电参量随时间的演变过程，更有针对性对功率器件质子辐照损伤的机理进一步研究，从而为器件抗辐射损伤提供研究基础。
14、本专利技术基于geant4软件和tcad软件模拟功率器件质子辐照损伤模型，与单独的geant4模拟和tcad模拟相比，具有模拟的系统性与一致性；利用蒙特卡罗模拟软件geant4和半导体器件分析软件tcad，不仅可以从材料到器件两个维度去观测和分析不同辐照条件下，而且可以通过geant4计算的质子辐射功率器件的电离沉积能量与非电离沉积能量，进一步转化为电离损伤剂量与非电离损伤剂量，进一步模拟缺陷损伤对功率器件电学性能的影响。
15、本专利技术通过geant4软件和tcad软件结合，与单独tcad软件优化结构相比，更具有准确性，优化设计更为完整合理；通过更改本专利技术所设置的器件模型，可以对应不同的半导体功率器件，开展任意粒子辐照损伤实验的评估研究。在节省大量的时间和经费的同时可以对器件的抗辐射性能进行良好的预测和评估。本专利技术研究了质子不同辐射条件对器件损伤的相互作用关系，对功率器件的辐射效应机理分析和可靠性评估提供了技术基础，同时对推进功率器件在航空航天领域的应用具有重要意义。
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1.一种基于Geant4及TCAD的功率器件质子辐射损伤模拟方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于Geant4及TCAD的功率器件质子辐射损伤模拟方法，其特征在于，所述步骤5包括如下具体步骤：
3.根据权利要求2所述的基于Geant4及TCAD的功率器件质子辐射损伤模拟方法，其特征在于，若所述功率器件中存在绝缘体结构，所述步骤5-2中，将绝缘体视为宽带隙半导体处理，加入半导体参数语句。
【技术特征摘要】
1.一种基于geant4及tcad的功率器件质子辐射损伤模拟方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于geant4及tcad的功率器件质子辐射损伤模拟方法，其特征在于，所述步骤5包括如下具体...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹荣幸，陆雨鑫，薛玉雄，王玉才，周炜翔，许灏炀，曾祥华，李红霞，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：
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