Kuuma kantaja-injektio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 21. elokuuta 2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 3 muokkausta .

Hot -carrier-injektio on ilmiö solid -state-elektroniikkalaitteissa , jossa elektronit tai reiät liikkuvat laitteen yhdeltä alueelta toiselle, ovat tai kuumenevat ainakin yhdellä näistä alueista. Sanalla "kuuma" tarkoitetaan tässä sitä, että elektronien tai reikien energiajakauma kuvataan likimäärin tilojen tiheyden ja Fermi-funktion tulolla , jonka tehollinen lämpötila on korkeampi, jopa tuhansia kelvinejä, kuin sen lämpötila. laite.

Ilmiö tapahtuu monissa rakenteissa. Merkittävin tapaus on kuumien kantajien injektointi MOSFETin hiladielektriseen aineeseen (sen jälkeen, kun se on saanut riittävästi kineettistä energiaa liikkuessaan kanavassa esteen ylittämiseksi puolijohde-dielektrisen liitoksen kohdalla) emissiolla tai tunneloimalla . Tässä tapauksessa eristeeseen tulevat kantoaaltoja voivat muodostaa loishilavirran, ja myös dielektriset viat "jäävät kiinni", mikä vääristää transistorin suorituskykyä [1] .

Käsite "kuumat kantajat"

Termi "kuuma kantoaine" otettiin käyttöön kuvaamaan epätasapainoisia elektroneja (tai reikiä), joiden energia on paljon suurempi kuin lämpöenergia ( on Boltzmannin vakio , on näytteen lämpötila) puolijohteissa [2] . Kantajat, joilla on näin lisääntynyt energia, voivat ilmaantua eri tavoin: voimakkaassa sähkökentässä, kun se absorboi fotonia , jonka kvanttienergia on paljon suurempi kuin materiaalin kaistaväli , kulkiessaan potentiaaliaskeleen yli ( heteroliitoksissa ), altistuessaan ionisoiva säteily. $kT$ $k$ $T$

Kaistakaaviossa kuumat elektronit sijaitsevat merkittävästi materiaalin johtavuuskaistan alaosan yläpuolella ( toisin kuin tasapainoiset, jotka sijaitsevat lähellä ). Kuumat reiät sijaitsevat selvästi valenssinauhan yläosan alapuolella . $E_{c}$ $E_{c}$ $E_{v}$

Monissa tilanteissa elektroni/reikätilojen täyttymisen todennäköisyyttä voidaan kuvata Fermi-funktiolla , jos siihen korvataan korotettu arvo . Korkeampi lämpötila (heijastuksena kokonaisuuden hiukkasten suuremmasta energiasta) vaikuttaa varauksenkuljettajien liikkuvuuteen ja sen seurauksena niiden liikkumiseen rakenteessa [3] . Joissakin tapauksissa elektronien ja reikien kuumuus voi kuitenkin olla merkityksetöntä: esimerkiksi valokennoissa uusien elektroni-reikäparien valonmuodostus on tärkeää (eikä ilmestyneiden kantajien energia: ylimääräinen energia katoaa lämmön muoto) [4] . $T$ $T_{eff}>T$

Jos kuuma kantoaine pääsee heikon kentän alueelle, se rentoutuu vähitellen pääasiassa fononien sironnan vuoksi, mutta iskuionisaatiolla ja säteilysiirtymillä on tietty rooli .

Kuuman kantoaineen injektio FET:ssä

Yleinen kuvaus tilanteesta

Kuuman kantoaineen injektio toteutetaan erilaisissa rakenteissa erilaisilla materiaaliyhdistelmillä ja eri olosuhteissa jännitteiden syöttämiseksi laitteen liittimiin (esimerkiksi kenttätransistorissa kuumia elektroneja voidaan ruiskuttaa substraatista portille, portti alustaan, kanavasta viemäriin, on muitakin vaihtoehtoja) .

Perinteisimmin kuumien kantajien ruiskutus ymmärretään kanavassa kuumennettujen elektronien (tai reikien) sisäänpääsyksi eristeeseen, pääasiassa sisäänvirtausalueella. Päämateriaalit tässä tapauksessa ovat pii puolijohteena ja piidioksidi dielektrisenä.

Päästäkseen SiO 2 -eristeen johtavuuskaistalle esteen yläpuolella olevalla emissiolla elektronin on saatava kineettinen energia, joka on suunnilleen 3,2 eV . Jotta reiät pääsevät oksidin valenssikaistalle , tarvitaan 4,6 eV:n energia. Jos kantoaine on kuuma, mutta sen energia on näiden arvojen alapuolella, tunnelointi on mahdollista, mikä helpottuu huomattavasti termisesti tasapainokantajiin verrattuna.

Vaikutus tilastoihin

Hilavirran ilmaantumisen vuoksi kuumien kantajien (pääasiassa elektronien) ruiskutuksen aikana nieluvirta pienenee, koska osa lähteestä lähtevistä elektroneista ei saavuta sitä.

Tämän lisäksi eristeen olemassa olevat viat sieppaavat kuumat elektronit; syntyy varaus, joka vääristää rakenteen potentiaalijakaumaa ja muuttaa tulo- ja lähtöominaisuuksien muotoa.

Kuumat elektronit voivat myös synnyttää ylimääräisiä ansavikoja, mikä pahentaa tilannetta. Piin ja oksidin rajapinnassa on nimittäin yleensä tietty määrä vetyatomeja , jotka passivoivat pinnan muodostaen Si-H-sidoksia. "Iskää" sidos, kuuma elektroni katkaisee sen, luoden paikallisen rajapinnan vian; tässä tapauksessa vetyatomi vapautuu substraatista.

Jos rajapintavikoja on useita, kynnysjännite muuttuu ja kynnyksen alajyrkkyys huononee. Myös integroidun piirin liikkuvuus - ja taajuusominaisuudet heikkenevät .

Skaalaus ja luotettavuus

Teollisuuden elektroniikan kehityksen tärkein suuntaus on mikropiirielementtien integrointiasteen kasvu , joka perustuu pääelementin - kenttätransistorin - koon ( skaalaus ) pienenemiseen.

Tässä tapauksessa sisäiset sähkökentät kasvavat, mikä parantaa jonkin verran laitteen suorituskykyä korkeilla taajuuksilla [5] , mutta samalla aiheuttaa ongelmia, koska kantoaaltojen saavuttama energia kanavassa kasvaa ja niiden ruiskutus dielektriseen muuttuu tuhoisammaksi.

Ongelmat ilmenevät, kun laitetta käytetään pitkään. Erityisen epäsuotuisa (vaarallisempi kuin tunnelivuoto) on kuumien kantajien pääsy eristeen sallitulle alueelle, mikä aiheuttaa elementin rikkoutumisen ja täydellisen epäonnistumisen. Mutta eristeen pitkäaikainen asteittainen heikkeneminen vikojen kertymisen aikana voi muuttaa radikaalisti MOS-transistorin ominaisuuksia, mukaan lukien aiheuttaa siirtymän sen kynnysjännitteessä, mikä johtaa koko integroidun piirin virheelliseen toimintaan. Laitteen hajoamista, joka johtuu kuumien kantajien ruiskuttamisesta aiheutuvien vikojen kerääntymisestä, kutsutaan "kuumien kantoaineiden hajoamiseksi" ( eng. hot carrier degradation ). Usein hajoaminen edeltää rikkoutumista, luotettavuudella on erityinen ominaisuus: varaus, jonka siirtyminen eristeen kautta aiheuttaa hajoamisen ( eng. charge-to-breakdown , C/cm 2 ).

Kuuman kantoaineen injektio muissa laitteissa

Ilmaisimissa

Kuumien kantajien ruiskutus tapahtuu hiukkasten ja valokvanttien puolijohdeilmaisimissa. Protonien tai elektronien vaikutus (myös avaruudessa) on olennaisesti niiden injektointi rakenteeseen, ja energia voi nousta kymmeniin ja satoihin eV. Kuumia kantoaineita voidaan luoda myös itse ilmaisimeen absorboimalla röntgen- ja gammasäteilyä , minkä jälkeen ne siirretään instrumentin muille alueille.

Flash-muistielementeissä

Kuuman median injektio on haihtumattomien flash-muistielementtien ( EEPROM ) ytimessä.

Nämä kennot käyttävät kuuman kantoaineen ruiskutuksen periaatetta viemällä ne tarkoituksella oksidikerroksen läpi kelluvan portin lataamiseksi . Varauksen läsnäolo muuttaa MOSFETin kynnysjännitteen edustamaan loogista tilaa "0". Varaamaton kelluva portti edustaa loogista tilaa "1". Kun haihtumaton flash-muistikenno tyhjennetään, tallennettu varaus poistetaan Fowler-Nordheim-tunneloimalla .

Eristeen vaurioituminen ruiskutuksen aikana on yksi tekijöistä, jotka rajoittavat tällaisten elementtien mahdollista kirjoitus-poistojaksojen määrää.

Ohutkalvosoluissa

Mikroelektroniikassa käytetään ohutkalvotriodeja kuumissa elektroneissa, jotka perustuvat rakenteisiin "metalli-dielektrinen-metalli-dielektrinen-metalli" tai "metalli-puolijohde-metalli-puolijohde-metalli" [6] .

Katso myös

sähköinen siirtolaisuus

Linkit

Artikkeli kuumista kantajista. Arkistoitu kopio . Käyttöpäivä: 8. joulukuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 13. helmikuuta 2014. (määrätön)
IEEE International Reliability Physics Symposium - tärkein tieteellinen ja tekninen konferenssi puolijohteiden luotettavuudesta, mukaan lukien kuuman kantoaineen injektioilmiö (Käytetty: 8. joulukuuta 2014)

Muistiinpanot

↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging , IEEE Spectrum Arkistoitu 26. tammikuuta 2019 Wayback Machinessa , toukokuuta 2011 (Käytetty 8. joulukuuta 2014)
↑ Conwell, EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
↑ Kuumaelektroniefekti suprajohtimissa ja sen sovelluksissa säteilyantureille // LLE Review: Journal. — Voi. 87 . - s. 134 . Arkistoitu alkuperäisestä 20. maaliskuuta 2012. ( PDF ) (Haettu 8. joulukuuta 2014)
↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, B.A.; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Kuumien elektronien siirto puolijohteen nanokiteistä (englanniksi) // Science : Journal. - 2010. - Vol. 328 . - s. 1543 . - doi : 10.1126/tiede.1185509 . - .
↑ Richard C. Dorf (toim.) The Electrical Engineering Handbook , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 sivu 578
↑ Kolesov L. N. Johdatus tekniikan mikroelektroniikkaan. - M., Neuvostoliiton radio, 1974. - s. 123-125