Forró hordozó injekció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. augusztus 21-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

A forró vivőbefecskendezés olyan jelenség a szilárdtest -elektronikai eszközökben , amikor az elektronok vagy lyukak az eszköz egyik területéről a másikra mozognak, és ezeknek a területeknek legalább az egyikén felforrósodnak vagy felforrósodnak. A "forró" szó jelentése itt az, hogy az elektronok vagy lyukak energiaeloszlását hozzávetőlegesen az állapotsűrűség és a Fermi-függvény szorzata írja le, amelynek effektív hőmérséklete magasabb, akár több ezer kelvinnel, mint az elektronok vagy lyukak energiaeloszlása. eszköz.

A jelenség számos struktúrában játszódik le. A legjelentősebb eset a forró hordozók befecskendezése a MOSFET -ben lévő kapudielektrikumba (miután elegendő kinetikus energiát szereztek a csatornában való mozgás során ahhoz, hogy leküzdjék a félvezető-dielektrikum csomópontnál lévő akadályt) emisszió vagy alagút útján . Ebben az esetben a dielektrikumba belépő hordozók parazita kapuáramot hozhatnak létre, és dielektromos hibák is „elkaphatják”, ami torzítja a tranzisztor teljesítményét [1] .

A "forró hordozók" fogalma

A "forró hordozó" kifejezést olyan nem egyensúlyi elektronok (vagy lyukak) leírására vezették be, amelyek energiája sokkal nagyobb, mint a hőenergia ( a Boltzmann-állandó , a minta hőmérséklete) a félvezetőkben [2] . Az ilyen megnövekedett energiájú hordozók többféleképpen jelenhetnek meg: erős elektromos térben, az anyag sávszélességénél jóval nagyobb kvantumenergiájú foton elnyelésekor, potenciállépcsőn való áthaladáskor ( heterojunkciókban ), ha ki vannak téve ionizáló sugárzás. $kT$ $k$ $T$

A sávdiagramon a forró elektronok jelentősen az anyag vezetési sávjának alja felett helyezkednek el (ellentétben az egyensúlyi elektronokkal, amelyek a közelében helyezkednek el ). A forró lyukak jóval a vegyértéksáv teteje alatt helyezkednek el . $E_{c}$ $E_{c}$ $E_{v}$

Sok esetben az elektron/lyuk állapotok kitöltésének valószínűsége leírható a Fermi-függvénnyel , ha egy megnövelt értéket helyettesítünk bele . A magasabb hőmérséklet (az együttesben lévő részecskék nagyobb energiájának visszatükröződéseként) befolyásolja a töltéshordozók mozgékonyságát, és ennek következtében a szerkezetben való mozgásukat [3] . Bizonyos esetekben azonban az elektronok és lyukak forrósága jelentéktelen lehet: például a fotocellákban az új elektron-lyuk párok fotogenerálása a fontos (és nem a megjelent hordozók energiája: a felesleges energia elveszik a hőforma) [4] . $T$ $T_{eff}>T$

Ha egy forró hordozó belép egy gyenge mezőbe, fokozatosan ellazul, főként a fononok szóródása miatt, de bizonyos szerepet játszanak a becsapódásos ionizáció és a sugárzási átmenetek .

Forró hordozó befecskendezés FET-ben

A helyzet általános leírása

A meleghordozó-injektálást különféle szerkezetekben, különféle anyagok kombinációjával és különböző feltételek mellett valósítják meg a készülék kapcsaira történő feszültség biztosítására (például egy térhatású tranzisztorban forró elektronok injektálhatók a hordozóról a kapura, a kapu az aljzathoz, a csatornától a lefolyóig, vannak más lehetőségek is) .

A leghagyományosabban a forró hordozók befecskendezése alatt egy csatornában felmelegített elektronok (vagy lyukak) dielektrikumba való belépését értjük, főleg a beáramlási tartományban. A fő anyagok ebben az esetben a szilícium , mint félvezető, és a szilícium-dioxid , mint dielektrikum.

Ahhoz, hogy a SiO 2 dielektrikum vezetési sávjába korlát feletti emisszióval beléphessen, egy elektronnak körülbelül 3,2 eV kinetikus energiát kell kapnia . Ahhoz, hogy a lyukak bejussanak az oxid vegyértéksávjába , 4,6 eV energiára van szükség. Ha a hordozó forró, de energiája ezen értékek alatt van, akkor alagút lehetséges, ami a termikus egyensúlyi hordozókhoz képest nagyban megkönnyíti.

Statisztikák hatása

A forró hordozók (főleg elektronok) befecskendezése során a kapuáram megjelenése miatt az elvezető áram csökken, mivel a forrásból induló elektronok egy része nem éri el.

Ezzel együtt a forró elektronokat befogják a dielektrikum meglévő hibái; töltés keletkezik, amely torzítja a potenciáleloszlást a szerkezetben, és megváltoztatja a bemeneti és kimeneti jellemzők formáját.

A forró elektronok további csapdahibákat is generálhatnak, ami súlyosbítja a helyzetet. Ugyanis a szilícium és az oxid határfelületén általában bizonyos mennyiségű hidrogénatom található , amelyek passziválják a felületet, és Si-H kötéseket képeznek. A kötést "eltalálva" a forró elektron megszakítja, helyi interfészhibát hozva létre; ilyenkor a hidrogénatom felszabadul a szubsztrátból.

Ha sok interfészhiba van, a küszöbfeszültség megváltozik, és a küszöb alatti meredekség romlik. Az integrált áramkör mobilitási és frekvenciajellemzői is romlanak .

Méretezés és megbízhatóság

Az ipari elektronika fejlesztésének legfontosabb trendje a mikroáramköri elemek integráltságának növekedése, amely a fő elem - egy térhatású tranzisztor - méretének ( méretezésének ) csökkenésén alapul .

Ebben az esetben a belső elektromos mezők megnövekednek, ami javítja a készülék bizonyos teljesítményét magas frekvenciákon [5] , ugyanakkor problémákat okoz, mivel a csatornában megnő a hordozók által elért energia, és befecskendezése a dielektrikumba. rombolóbbá válik.

A problémák akkor jelentkeznek, ha a készüléket hosszabb ideig használják. Különösen kedvezőtlen (veszélyesebb, mint az alagút szivárgása) a forró hordozók behatolása a dielektrikum megengedett zónájába, ami az elem meghibásodását és teljes meghibásodását idézi elő. De a dielektrikum hosszú távú fokozatos leromlása a hibák felhalmozódása során radikálisan megváltoztathatja a MOS tranzisztor jellemzőit, beleértve a küszöbfeszültség eltolódását, ami a teljes integrált áramkör helytelen működéséhez vezet. Az eszköznek a forró hordozók befecskendezése miatti hibák felhalmozódása miatti leromlását "forró hordozóktól való leromlásnak" nevezik ( eng. hot carrier degradation ). Gyakran a lebomlás megelőzi a meghibásodást, a megbízhatóságnak van egy sajátos jellemzője: egy töltés, melynek dielektrikumon keresztül történő átvitele tönkremenetelt okoz ( eng. charge-to-downdown , C/cm 2 ).

Forró hordozó befecskendezés más eszközökbe

Detektorokban

A forró hordozók befecskendezése részecskék és fénykvantumok félvezető detektoraiban történik. A protonok vagy elektronok becsapódása (beleértve az űrt is) lényegében a szerkezetbe való befecskendezése, és az energia elérheti a tíz és száz eV-ot. Magában a detektorban is létrehozhatók forró hordozók a röntgen- és gamma-sugárzás elnyelésével , majd a műszer más területeire történő átvitellel.

Flash memória elemekben

A forró média befecskendezése a nem felejtő flash memória ( EEPROM ) elemeinek magja.

Ezek a cellák a forró hordozó befecskendezésének elvét használják úgy, hogy szándékosan az oxidrétegen keresztül vezetik be őket az úszókaput feltöltéséhez . A töltés jelenléte megváltoztatja a MOSFET küszöbfeszültségét, hogy a "0" logikai állapotot képviselje. Egy feltöltetlen lebegő kapu az "1" logikai állapotát jelenti. Egy nem felejtő flash memória cella törlésekor a tárolt töltést Fowler-Nordheim alagúttal távolítják el .

A dielektrikum injektálás közbeni károsodása az egyik olyan tényező, amely korlátozza az ilyen elemekben előforduló írási-törlési ciklusok számát.

Vékonyréteg cellákban

A mikroelektronikában a "fém-dielektromos-fém-dielektromos-fém" vagy a "fém-félvezető-fém-félvezető-fém" szerkezetű vékonyréteg-triódákat forró elektronokon alkalmazzák [6] .

Lásd még

elektromigráció

Linkek

Cikk a forró hordozókról. Archivált másolat . Hozzáférés dátuma: 2014. december 8. Az eredetiből archiválva : 2014. február 13. (határozatlan)
IEEE International Reliability Physics Symposium - a fő tudományos és műszaki konferencia a félvezetők megbízhatóságáról, beleértve a meleghordozó-injektálás jelenségét (Hozzáférés: 2014. december 8.)

Jegyzetek

↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging , IEEE Spectrum Archiválva : 2019. január 26., a Wayback Machine , 2011. május (Hozzáférés: 2014. december 8.)
↑ Conwell, EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
↑ Forróelektron-effektus a szupravezetőkben és alkalmazásai a sugárzásérzékelőkben // LLE Review: folyóirat. — Vol. 87 . — 134. o . Az eredetiből archiválva: 2012. március 20. ( PDF ) (Letöltve: 2014. december 8.)
↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, B.A.; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals (angol) // Science : Journal. - 2010. - 20. évf. 328 . - 1543. o . - doi : 10.1126/tudomány.1185509 . - Iránykód .
↑ Richard C. Dorf (szerk.) The Electrical Engineering Handbook , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 578. oldal
↑ Kolesov L. N. Bevezetés a mérnöki mikroelektronikába. - M., Szovjet rádió, 1974. - p. 123-125