Injecție cu purtător fierbinte

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 21 august 2020; verificările necesită 3 modificări .

Injecția cu purtător cald este un fenomen în dispozitivele electronice cu stare solidă , în care electronii sau găurile se deplasează dintr-o zonă a dispozitivului în alta, fiind sau devenind fierbinți în cel puțin una dintre aceste zone. Sensul cuvântului „fierbinte” aici este că distribuția de energie a electronilor sau a găurilor este descrisă aproximativ de produsul densității stărilor și funcția Fermi cu o temperatură efectivă mai mare, de până la mii de kelvin, decât temperatura dispozitiv.

Fenomenul are loc în multe structuri. Cel mai semnificativ caz este injectarea de purtători fierbinți în dielectricul de poartă într- un MOSFET (după dobândirea de energie cinetică suficientă în timpul mișcării în canal pentru a depăși bariera de la joncțiunea semiconductor-dielectric) prin emisie sau tunel . În acest caz, purtătorii care intră în dielectric pot crea un curent de poartă parazit și, de asemenea, pot fi „prinși” de defecte dielectrice, ceea ce distorsionează performanța tranzistorului [1] .

Conceptul de „purtatori fierbinți”

Termenul de „purtător fierbinte” a fost introdus pentru a descrie electronii (sau găurile) neechilibrați cu o energie mult mai mare decât energia termică ( este constanta Boltzmann , este temperatura probei) în semiconductori [2] . Purtătorii cu o astfel de energie crescută pot apărea în diverse moduri: într-un câmp electric puternic, la absorbția unui foton cu o energie cuantică mult mai mare decât banda interzisă a materialului, la trecerea peste o treaptă potențială (în heterojoncțiuni ), atunci când sunt expuse la radiatii ionizante. $kT$ $k$ $T$

Pe diagrama de benzi, electronii fierbinți sunt localizați semnificativ deasupra părții inferioare a benzii de conducție a materialului (spre deosebire de cei de echilibru, care se află lângă ). Găurile fierbinți sunt situate mult sub partea superioară a benzii de valență . $E_{c}$ $E_{c}$ $E_{v}$

În multe situații, probabilitatea de umplere a stărilor electron/găuri poate fi descrisă de funcția Fermi , dacă o valoare crescută este substituită în ea . Temperatura mai mare (ca reflectare a energiei mai mari a particulelor din ansamblu) afectează mobilitatea purtătorilor de sarcină și, ca urmare, modul în care aceștia se mișcă în structură [3] . Cu toate acestea, în unele cazuri, faptul că electronii și găurile sunt fierbinți poate fi nesemnificativ: de exemplu, în fotocelule, fotogenerarea de noi perechi electron-gaură este importantă (și nu energia purtătorilor apariți: excesul de energie se pierde în formă de căldură) [4] . $T$ $T_{eff}>T$

Dacă un purtător fierbinte intră într-o regiune de câmp slab, acesta se relaxează treptat, în principal din cauza împrăștierii de către fononi , dar ionizarea de impact și tranzițiile radiative joacă un anumit rol .

Injecția de purtător fierbinte într-un FET

Descrierea generală a situației

Injecția de purtător fierbinte este implementată într-o varietate de structuri cu diferite combinații de materiale și în diferite condiții pentru aplicarea tensiunilor la bornele dispozitivului (de exemplu, într-un tranzistor cu efect de câmp, electronii fierbinți pot fi injectați de la substrat la poartă, de la poarta la substrat, de la canal la scurgere, există alte opțiuni) .

Cel mai tradițional, injecția de purtători fierbinți este înțeleasă ca intrarea de electroni (sau găuri) încălziți într-un canal într-un dielectric, în principal în regiunea de intrare. Principalele materiale în acest caz sunt siliciul ca semiconductor și dioxidul de siliciu ca dielectric.

Pentru a intra în banda de conducere a dielectricului SiO2 prin emisie deasupra barierei, un electron trebuie să primească o energie cinetică aproximativ egală cu 3,2 eV . Pentru ca găurile să intre în banda de valență a oxidului, este necesară o energie de 4,6 eV. Dacă purtătorul este fierbinte, dar energia sa este sub aceste valori, este posibilă tunelarea, ceea ce este mult facilitată în comparație cu cazul purtătorilor în echilibru termic.

Impactul asupra statisticilor

Datorită apariției curentului de poartă în timpul injectării purtătorilor fierbinți (în principal electroni), curentul de scurgere scade, deoarece unii dintre electronii care pornesc de la sursă nu ajung la el.

Odată cu aceasta, electronii fierbinți sunt captați de defectele existente în dielectric; apare o sarcină care distorsionează distribuția potențialului în structură și modifică forma caracteristicilor de intrare și de ieșire.

Electronii fierbinți pot genera, de asemenea, defecte suplimentare ale capcanei, ceea ce agravează situația. Și anume, la interfața siliciului cu oxidul, există de obicei o anumită cantitate de atomi de hidrogen , care pasivează suprafața, formând legături Si-H. „Lovindu-se” legătura, electronul fierbinte o rupe, creând un defect local de interfață; în acest caz, atomul de hidrogen este eliberat din substrat.

Dacă există multe defecte de interfață, tensiunea de prag se modifică și panta subprag se deteriorează. Caracteristicile de mobilitate și frecvență ale circuitului integrat se degradează de asemenea.

Scalare și fiabilitate

Cea mai importantă tendință în dezvoltarea electronicii industriale este o creștere a gradului de integrare a elementelor de microcircuit, bazată pe o scădere a dimensiunii ( scalarea ) a elementului principal - un tranzistor cu efect de câmp.

În acest caz, câmpurile electrice interne cresc, ceea ce îmbunătățește o anumită performanță a dispozitivului la frecvențe înalte [5] , dar în același timp creează probleme, deoarece energia realizată de purtătorii în canal crește, iar injectarea lor în dielectric devine mai distructiv.

Problemele apar atunci când dispozitivul este utilizat pentru o perioadă lungă de timp. Mai ales nefavorabilă (mai periculoasă decât scurgerea din tunel) este pătrunderea purtătorilor fierbinți în zona permisă a dielectricului, ceea ce provoacă defectarea și defectarea completă a elementului. Dar degradarea treptată pe termen lung a dielectricului în timpul acumulării de defecte poate schimba radical caracteristicile tranzistorului MOS, inclusiv provocând o schimbare a tensiunii de prag, ceea ce duce la funcționarea incorectă a întregului circuit integrat. Degradarea dispozitivului din cauza acumulării de defecte de la injectarea purtătorilor fierbinți se numește „degradare de la purtători fierbinți” ( deg . degtadare a purtătorilor fierbinți ). Adesea, degradarea precede defalcarea, existând o caracteristică specială a fiabilității: o sarcină, al cărei transfer printr-un dielectric provoacă defectarea ( de exemplu, încărcare la defalcare , C/cm2 ) .

Injecția de purtător cald în alte dispozitive

În detectoare

Injectarea purtătorilor fierbinți are loc în detectoarele semiconductoare de particule și cuante de lumină. Impactul protonilor sau electronilor (inclusiv în spațiu) este în esență injectarea lor în structură, iar energia poate ajunge la zeci și sute de eV. Purtătorii fierbinți pot fi, de asemenea, creați în detector însuși prin absorbția razelor X și a razelor gamma , urmate de transferul în alte zone ale instrumentului.

În elementele memoriei flash

Injecția cu media caldă este nucleul elementelor memoriei flash nevolatile ( EEPROM ).

Aceste celule folosesc principiul injectării purtătorului fierbinte introducându-le în mod deliberat prin stratul de oxid pentru a încărca poarta plutitoare . Prezența sarcinii modifică tensiunea de prag a MOSFET-ului pentru a reprezenta starea logică „0”. O poartă plutitoare neîncărcată reprezintă o stare logică de „1”. Când o celulă de memorie flash nevolatilă este ștearsă, încărcarea stocată este eliminată prin tunelul Fowler-Nordheim .

Deteriorarea dielectricului în timpul injectării este unul dintre factorii care limitează numărul posibil de cicluri de scriere-ștergere în astfel de elemente.

În celule de peliculă subțire

În microelectronică, se folosesc triode cu peliculă subțire pe electroni fierbinți pe baza structurilor „metal-dielectric-metal-dielectric-metal” sau „metal-semiconductor-metal-semiconductor-metal” [6] .

Vezi și

electromigrarea

Link -uri

Articol despre purtători fierbinți. Copie arhivată . Data accesului: 8 decembrie 2014. Arhivat din original la 13 februarie 2014. (nedefinit)
Simpozionul IEEE International Reliability Physics - principala conferință științifică și tehnică privind fiabilitatea semiconductorilor, inclusiv fenomenul de injectare a purtătorului fierbinte (Accesat: 8 decembrie 2014)

Note

↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging , IEEE Spectrum Arhivat 26 ianuarie 2019 la Wayback Machine , mai 2011 (accesat 8 decembrie 2014)
^ Conwell , EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
↑ Efectul de electroni fierbinți în supraconductori și aplicațiile sale pentru senzorii de radiație // LLE Review: jurnal. — Vol. 87 . — P. 134 . Arhivat din original pe 20 martie 2012. ( PDF ) (Preluat la 8 decembrie 2014)
↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, B.A.; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals (engleză) // Science : journal. - 2010. - Vol. 328 . - P. 1543 . - doi : 10.1126/science.1185509 . - .
↑ Richard C. Dorf (ed) The Electrical Engineering Handbook , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 pagina 578
↑ Kolesov L. N. Introducere în microelectronica inginerească. - M., Radio sovietică, 1974. - p. 123-125