Simulazione numerica parallela di dispositivi di potenza

One of the most serious problem of the 21st century is the lack of energy. Enormous quantity of money has been invested into the technical development of transmission and distribution of energy. Power semiconductor plays a leading role in the progress of power electronics and in realizing a more efficient distribution of the electric energy. Accurate TCAD simulations have a key role in reducing costs and time during the development of high performance semiconductor devices. Conventional 2D TCAD or small scale 3D simulation can be used for a number of devices. However, large area devices cannot be simulated with full accuracy with small-scale 3D simulations. This is the reason why the Laboratory for Modelling and Scientific Computing (MOX) of the Politecnico di Milano and the research center of ABB Switzerland Ltd. initiated a collaboration to develop a 3D TCAD simulator specific for the simulation of large area power devices. The objective of the present work is to test and to calibrate the physical models of the TCAD simulator. In the thesis as first we describe the physical models involved: Drift-Diffusion model, mobility model, bandgap narrowing model and generation and recombination mechanisms. Then we describe the numerical methods for the resolution of the Drift-Diffusion model. In last two parts we show the results of the models calibration and the results obtained from the simulations of a pin diode and of a thyristor. All the data for the simulations are taken from simplified "academic" examples or from "academic" books.

Uno dei problemi maggiori del 21 secolo è la mancanza di energia. Negli ultimi anni ingenti somme di denaro sono state investite nello sviluppo delle tecnologie per la trasmissione dell'energia. I dispositivi elettronici di potenza hanno un ruolo cruciale nel progresso dell'elettronica di potenza e per una più efficiente distribuzione dell'energia elettrica. Lo sviluppo di tali dispositivi trae enormi benefici in termini di riduzione di costi e tempi dalla possibilità di effettuare simulazioni TCAD degli stessi dispositivi. I convenzionali simulatori TCAD 2D e 3D possono essere utilizzati per la simulazione di innumerevoli dispositivi. Tuttavia, dispositivi con grande area non possono essere simulati accuratamente con simulazioni 3D su piccole porzioni. Per questo motivo il Laboratorio di Modellistica e Calcolo Scientifico (MOX) del Politecnico di Milano e il centro di ricerca di ABB Switzerland Ltd. hanno iniziato una collaborazione per lo sviluppo di un simulatore TCAD 3D specifico per la simulazione di dispositivi di potenza di grandi dimensioni. L'obbiettivo del presente lavoro riguarda il test e la calibrazione dei modelli del simulatore. Nella tesi dapprima vengono descritti i modelli fisici: modello Drift-Diffusion, modello di mobilità, modello di bandgap narrowing e il modello per i meccanismi di generazione e ricombinazione. Nelle ultime due parti mostriamo i risultati della calibrazione dei modelli e i risultati ottenuti dalla simulazione di un diodo pin e di un tiristore.