Vstřikování horkého nosiče

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 21. srpna 2020; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Injekce horkého nosiče je jev v elektronických zařízeních v pevné fázi , ve kterém se elektrony nebo díry pohybují z jedné oblasti zařízení do druhé, přičemž jsou nebo se zahřívají alespoň v jedné z těchto oblastí. Význam slova "horký" je zde takový, že rozložení energie elektronů nebo děr je přibližně popsáno součinem hustoty stavů a Fermiho funkce s vyšší efektivní teplotou, až tisíce kelvinů, než je teplota přístroj.

Jev se odehrává v mnoha strukturách. Nejvýznamnějším případem je vstřikování horkých nosičů do hradlového dielektrika v MOSFETu (po získání dostatečné kinetické energie během pohybu v kanálu k překonání bariéry na přechodu polovodič-dielektrikum) emisí nebo tunelování . V tomto případě mohou nosiče vstupující do dielektrika vytvářet parazitní hradlový proud a také být „chyceny“ dielektrickými defekty, které zkreslují výkon tranzistoru [1] .

Koncept "horkých nosičů"

Termín "horký nosič" byl zaveden k popisu nerovnovážných elektronů (nebo děr) s energií mnohem vyšší než tepelná energie ( je Boltzmannova konstanta , je teplota vzorku) v polovodičích [2] . Nosiče s takto zvýšenou energií se mohou objevit různými způsoby: v silném elektrickém poli, při pohlcení fotonu s kvantovou energií mnohem větší, než je zakázané pásmo materiálu, při přechodu přes potenciální stupeň (v heteropřechodech ), při vystavení ionizující radiace. $kT$ $k$ $T$

Na pásmovém diagramu jsou horké elektrony umístěny výrazně nad spodní částí vodivého pásu materiálu (na rozdíl od rovnovážných, které se nacházejí blízko ). Horké otvory jsou umístěny hluboko pod horní částí valenčního pásku . $E_{c}$ $E_{c}$ $E_{v}$

V mnoha situacích lze pravděpodobnost zaplnění stavů elektron/díra popsat Fermiho funkcí , pokud je do ní dosazena zvýšená hodnota . Vyšší teplota (jako odraz vyšší energie částic v souboru) ovlivňuje pohyblivost nosičů náboje a v důsledku toho i to, jak se pohybují ve struktuře [3] . V některých případech však může být skutečnost, že elektrony a díry jsou horké, nepodstatná: například u fotočlánků je důležitá fotogenerace nových párů elektron-díra (a nikoli energie objevených nosičů: přebytečná energie se ztrácí v forma tepla) [4] . $T$ $T_{eff}>T$

Pokud horký nosič vstoupí do oblasti slabého pole, postupně se uvolní, hlavně díky rozptylu fonony , ale určitou roli hraje impaktní ionizace a radiační přechody .

Vstřikování horkého nosiče v FET

Obecný popis situace

Vstřikování horkého nosiče je realizováno v různých strukturách s různými kombinacemi materiálů a za různých podmínek pro přivádění napětí na svorky zařízení (například v tranzistoru s efektem pole mohou být horké elektrony injektovány ze substrátu do brány, z brána k substrátu, od kanálu k odtoku, existují další možnosti) .

Nejtradičněji je vstřikování horkých nosičů chápáno jako vstup elektronů (nebo děr) zahřátých v kanálu do dielektrika, zejména v oblasti přítoku. Hlavními materiály jsou v tomto případě křemík jako polovodič a oxid křemičitý jako dielektrikum.

Aby se elektron dostal do vodivostního pásma dielektrika SiO 2 nadbariérovou emisí, musí dostat kinetickou energii přibližně rovnou 3,2 eV . Aby otvory vstoupily do valenčního pásma oxidu, je zapotřebí energie 4,6 eV. Pokud je nosič horký, ale jeho energie je pod těmito hodnotami, je možné tunelování, což je ve srovnání s případem tepelně rovnovážných nosičů značně usnadněno.

Vliv na statistiky

Vzhledem k výskytu hradlového proudu během vstřikování horkých nosičů (hlavně elektronů) se odtokový proud snižuje, protože některé elektrony, které začínají ze zdroje, ho nedosáhnou.

Spolu s tím jsou horké elektrony zachyceny existujícími defekty v dielektriku; vzniká náboj, který narušuje rozložení potenciálu ve struktuře a mění podobu vstupní a výstupní charakteristiky.

Horké elektrony mohou také generovat další defekty pasti, což situaci zhoršuje. Konkrétně na rozhraní křemíku s oxidem se obvykle nachází určité množství atomů vodíku , které pasivují povrch a vytvářejí vazby Si-H. "Narazí" na vazbu, horký elektron ji rozbije a vytvoří lokální defekt rozhraní; v tomto případě se atom vodíku uvolní ze substrátu.

Pokud existuje mnoho defektů rozhraní, změní se prahové napětí a podprahový sklon se zhorší. Pohyblivé a frekvenční charakteristiky integrovaného obvodu se rovněž zhoršují .

Měřítko a spolehlivost

Nejdůležitějším trendem ve vývoji průmyslové elektroniky je zvyšování stupně integrace mikroobvodových prvků na základě zmenšování velikosti ( scalingu ) hlavního prvku - tranzistoru s efektem pole.

V tomto případě se zvýší vnitřní elektrická pole, což zlepšuje určitý výkon zařízení při vysokých frekvencích [5] , ale zároveň vytváří problémy, protože energie dosažená nosiči v kanálu se zvyšuje a jejich vstřikování do dielektrika se stává destruktivnější.

Problémy se objevují, když je zařízení používáno delší dobu. Obzvláště nepříznivé (nebezpečnější než tunelové netěsnosti) je pronikání horkých nosičů do povolené zóny dielektrika, což vyvolává poruchu a úplné selhání prvku. Ale dlouhodobá postupná degradace dielektrika při hromadění vad může radikálně změnit charakteristiku MOS tranzistoru, včetně způsobení posunu jeho prahového napětí, což vede k nesprávné činnosti celého integrovaného obvodu. Degradace zařízení v důsledku nahromadění defektů ze vstřikování horkých nosičů se nazývá "degradace od horkých nosičů" ( angl. hot carrier degtadation ). Degradace často předchází průrazu, existuje zvláštní charakteristika spolehlivosti: náboj, jehož přenos přes dielektrikum způsobuje průraz ( angl. charge-to-breakdown , C/cm 2 ).

Vstřikování horkého nosiče v jiných zařízeních

V detektorech

Ke vstřikování horkých nosičů dochází v polovodičových detektorech částic a světelných kvant. Dopad protonů nebo elektronů (včetně vesmírných) je v podstatě jejich vstřikováním do struktury a energie může dosahovat desítek a stovek eV. Horké nosiče mohou být také vytvořeny v samotném detektoru absorpcí rentgenových a gama paprsků s následným přenosem do jiných oblastí přístroje.

V prvcích flash paměti

Vstřikování horkého média je jádrem prvků energeticky nezávislé paměti flash ( EEPROM ).

Tyto články využívají principu vstřikování horkého nosiče tak, že je záměrně zavádí přes vrstvu oxidu k nabití plovoucí brány . Přítomnost náboje mění prahové napětí MOSFETu tak, aby představovalo logický stav "0". Nenabitá plovoucí brána představuje logický stav "1". Když je energeticky nezávislá paměťová buňka vymazána, uložený náboj je odstraněn tunelováním Fowler-Nordheim .

Poškození dielektrika během injektáže je jedním z faktorů omezujících možný počet cyklů zápisu a mazání v takových prvcích.

V tenkovrstvých buňkách

V mikroelektronice se používají tenkovrstvé triody na horkých elektronech na bázi struktur "kov-dielektrikum-kov-dielektrikum-kov" nebo "kov-polovodič-kov-polovodič-kov" [6] .

Viz také

elektromigrace

Odkazy

Článek o horkých nosičích. Archivovaná kopie . Datum přístupu: 8. prosince 2014. Archivováno z originálu 13. února 2014. (neurčitý)
IEEE International Reliability Physics Symposium - hlavní vědecká a technická konference o spolehlivosti polovodičů včetně fenoménu vstřikování horkých nosičů (Přístup: 8. prosince 2014)

Poznámky

↑ John Keane, Chris H. Kim, Tranzistor Aging , IEEE Spectrum Archived 26. ledna 2019 na Wayback Machine , květen 2011 (přístup 8. prosince 2014)
↑ Conwell, EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
↑ Efekt horkých elektronů v supravodičích a jeho aplikace pro senzory záření // LLE Review: journal. — Sv. 87 . — S. 134 . Archivováno z originálu 20. března 2012. ( PDF ) (Staženo 8. prosince 2014)
↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, B.A.; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals (anglicky) // Science : journal. - 2010. - Sv. 328 . - str. 1543 . - doi : 10.1126/science.1185509 . - .
↑ Richard C. Dorf (ed) The Electrical Engineering Handbook , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 strana 578
↑ Kolesov L. N. Úvod do strojírenské mikroelektroniky. - M., Sovětský rozhlas, 1974. - str. 123-125