Artigo | Burnout susceptibility of silicon power diodes when exposed to 14 MeV neutrons

Os nêutrons podem causar falhas significativas em dispositivos de potência de alta tensão; este artigo investiga o comportamento de um diodo PiN de silício quando exposto a um feixe de nêutrons de 14 MeV. Apresentamos uma nova metodologia que combina caracterização experimental e simulação numérica para examinar os efeitos das espécies iônicas geradas por reações nucleares induzidas por nêutrons em materiais semicondutores. Medições experimentais foram realizadas no Gerador de Nêutrons de Frascati para explorar a falha do dispositivo sob condições controladas de irradiação. Posteriormente, para compreender o mecanismo de falha, uma abordagem de simulação combinada foi adotada. O conjunto de ferramentas Monte Carlo G4SEE foi empregado inicialmente para simular a interação de nêutrons de 14 MeV com o material semicondutor de silício; os dados de partículas secundárias resultantes foram então utilizados em simulações eletrotérmicas tridimensionais realizadas com o Silvaco TCAD, aproveitando a simetria cilíndrica da célula unitária. O modelo numérico foi validado comparando os resultados da simulação com os dados experimentais obtidos durante as campanhas de irradiação de nêutrons. Nosso estudo revelou que o par iônico (α, 25Mg) é um dos produtos da reação nuclear que interage de forma mais significativa com o campo elétrico na região intrínseca do dispositivo. Essa interação na tensão de polarização crítica resulta na queima do diodo em um único evento, conforme confirmado por observações experimentais e análises numéricas. Embora a demonstração seja baseada em uma fonte monoenergética de 14 MeV, a metodologia é geral e pode ser estendida para avaliar a resposta do dispositivo sob espectros de nêutrons atmosféricos realistas.