Università degli studi di Cassino DAEIMI Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo, Ingegneria dell Informazione e Matematica Industriale
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- Bernarda Molteni
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1 Repubblica Italiana Ministero dell Università e della Ricerca - Direzione Generale per il Coordinamento e lo Sviluppo della Ricerca Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale Università degli studi di Cassino DAEIMI Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo, Ingegneria dell Informazione e Matematica Industriale Alimentazione di potenza in ambiente ostile: applicazione ad esperimenti di fisica delle alte energie Dispositivi MOSFET commerciali e relative strategie di pilotaggio: verso il Megarad Unità di Cassino: Coordinatore: prof. G. Busatto* Speaker: F. Iannuzzo *Facoltà di Ingegneria Via G. Di Biasio, CASSINO (FR) busatto@unicas.it Milano, 30 Novembre 2010
2 Descrizione dell attività di ricerca Studiare le possibilità di impiego di dispositivi MOSFET commerciali (COTS) a dosi di un ordine di grandezza superiori degli attuali: 100krad 1Mrad L attività è stata incentrata sulla tolleranza ai gamma Applicazione di riferimento: sistema di alimentazione distribuita dei calorimetri Liquid- Argon di ATLAS, presso il CERN Focus: 30V MOSFETs e 200V MOSFETs Dispositivi innovativi: Trench MOSFETs SiC JFETs AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
3 Dispositivi Selezionati I - 30 V MOSFETs - Devices have been chosen with the following criteria: commercial availability 30V blocking capability nominal currents in the range 5-100A opposite polarities several manufacturers Manufacturer Part Polarity Vds nom. Id nom.@25 C Package A A1 N 30V 24A TO-220 B B1 N 30V 22A TO-220 C C1 N 30V 80A D-PAK C2 P 30V 11A SO-8 D D1 N 30V 30A D-PAK E E1 N 30V 69A TO-220 F F1 N 30V 20A D-PAK F2 P 30V 50A D-PAK G G1 P 30V 15A I-PAK H H1 N 30V 37A D-PAK H2 P 30V 5A 6-TSOP AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
4 Dispositivi Selezionati II V MOSFETs - Manufacturer Part Polarity Vds nom. Id nom.@25 C Package A B A1 N 200V 5A TO-220 A2 N 200V 9A TO-220 B1 N 200V 33A TO-220 B2 P 200V 1.75A TO-220 C C1 N 200V 30A TO-220 D D1 N 200V 31A TO-220 E E1 N 200V 21A TO-220 F 200V MOSFETs choice criteria: commercial availability standard and new (trench) technology nominal currents in the range 2-30A F1 N 200V 19.4A TO-220 F2 P 200V 11.5A TO-220 opposite polarities several manufacturers AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
5 Dispositivi Selezionati III - SiC JFETs - Manufacturer Part Polarity Vds nom. Id nom.@25 C Package A A1 N 1200V 17A TO-247 A2 N 1200V 30A TO-247 SiC JFETs: commercial availability No oxide layer Higher blocking voltage at comparable RON of derating to enhance the radiation tolerance possibility AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
6 Configurazioni di test Four parallel tests have been made on each part number: Vgg=const. Vdd=const. Vdd=0 and Vgg=const. (80%Vgg,nom) sensitivity to the oxide bias Vgg=0 and Vdd=const. (80%Vdd,nom) sensitivity of the bulk (junction) of the device Vdd=80%Vdd,nom and Vgg switching sensitivity to the dynamic gate bias three leads shorted reference condition switching Vgg=const. shorted Vdd=const. switching shorted AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
7 La facility Calliope Site: Research Centre La Casaccia ENEA Rome ITALY Type of source: - 60 Co Source present activity Bq (18.1 kci): Dose rate used for experiments: 10Gy(Si)/h (1krad/h) intensity uncertainty: within ±5% radiation field uniformity: within ±10% AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
8 Dettagli sperimentali Ciascun dispositivo di ciascun lotto viene testato ad ogni step di irraggiamento. I test sono effettuati con un device parameter analyzer (Agilent B1500A) con una High- Resolution SMU (precisione 1fA) Vengono effettuati 2 tipi di test: 1. Curva Vg-Id tensione di soglia 2. Curva Vg-Ig corrente di leakage del ossido La condizione standard di 2 ore di stop per ogni misura* limita di fatto a 20 il numero di dispositivi testabili in parallelo. Al raggiungimento della dose di target, un procedura di annealing a T=100 C viene effettuata mantenendo le stesse condizioni di polarizzazione. * ESA/SSC procedure for TID AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
9 RISULTATI - 30V MOSFETs - PRIN Riunione di coordinamento - Milano, 30 Aprile
10 Diversi manufacturers AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
11 Effetto della polarizzazione durante l irraggiamento Device B1 Device A1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
12 Stima del danno all ossido AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
13 Leakage dell ossido I Device B1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
14 Leakage dell ossido II Device A1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
15 Leakage dell ossido III Device B1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
16 RISULTATI - 200V MOSFETs - PRIN Riunione di coordinamento - Milano, 30 Aprile
17 Effetto della dose su V TH - 200V - AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
18 30V vs. 200V AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
19 Sensibilità alla polarizzazione durante l irraggiamento Device B1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
20 Differenti manufacturers (e tecnologia) su V TH AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
21 Comportamento dei Trench technology devices Device A1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
22 Leakage dell ossido Device B1 AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
23 Effetto del dose rate - 40Gy/h vs. 10Gy/h - 40Gy/h AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
24 Confronto Switching asimm/simm AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
25 Effetto dell area del dispositivo AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
26 Effetto sulla Ron AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
27 Effetto sulla Ron A B A B AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
28 RISULTATI - SIC JFETS - PRIN Riunione di coordinamento - Milano, 30 Aprile
29 Tensione di soglia SiC AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
30 Ron SiC AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
31 Risultati della ricerca Sono stati studiati gli effetti dell irraggiamento gamma su dispositivi commerciali potenzialmente impiegabili in fisica delle alte energie Sia nel caso MOSFETs-30V che in quello MOSFETs-200V si sono trovati dispositivi resistenti fino alla soglia del Mrad (100kGy) I dispositivi trench 200V NON hanno superato il test Sono stati sperimentati anche dispositivi innovativi (SiC JFETs), con risultati accettabili L effetto della polarizzazione di gate è significativo strategie di pilotaggio ottimo L effetto del dose-rate è significativo anche a questi flussi (10-40Gy/h) prove troppo veloci fanno escludere erroneamente dispositivi potenzialmente tolleranti AEIT-INFN-UniMI Workshop - Milano, 30 Novembre
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