Varmbärarinjektion

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 21 augusti 2020; kontroller kräver 3 redigeringar .

Varmbärarinjektion är ett fenomen i solid-state elektronikenheter , där elektroner eller hål rör sig från ett område av enheten till ett annat, och blir eller blir varma i minst ett av dessa områden. Innebörden av ordet "het" här är att energifördelningen av elektroner eller hål ungefär beskrivs av produkten av tillståndstätheten och Fermi-funktionen med en högre effektiv temperatur, upp till tusentals kelviner, än temperaturen för enhet.

Fenomenet utspelar sig i många strukturer. Det mest betydelsefulla fallet är insprutningen av heta bärare i gate-dielektriken i en MOSFET (efter att ha förvärvat tillräcklig kinetisk energi under rörelse i kanalen för att övervinna barriären vid halvledar-dielektriska förbindelsen) genom emission eller tunnling . I det här fallet kan bärare som kommer in i dielektrikumet skapa en parasitisk grindström och även "fångas" av dielektriska defekter, vilket förvränger transistorns prestanda [1] .

Begreppet "hot carriers"

Termen "het bärare" introducerades för att beskriva icke-jämviktselektroner (eller hål) med en energi som är mycket högre än den termiska energin ( är Boltzmann-konstanten , är provets temperatur) i halvledare [2] . Bärare med en sådan ökad energi kan uppträda på olika sätt: i ett starkt elektriskt fält, när de absorberar en foton med en kvantenergi som är mycket större än materialets bandgap , när de passerar ett potentiellt steg (i heterojunctions ), när de utsätts för joniserande strålning. $kT$ $k$ $T$

På banddiagrammet är heta elektroner belägna betydligt ovanför botten av materialets ledningsband (i motsats till jämviktselektronerna, som är belägna nära ). Heta hål finns långt under toppen av valensbandet . $E_{c}$ $E_{c}$ $E_{v}$

I många situationer kan sannolikheten för att fylla elektron/håltillstånd beskrivas av Fermi-funktionen , om ett ökat värde ersätts i den . Högre temperatur (som en reflektion av den högre energin hos partiklarna i ensemblen) påverkar laddningsbärarnas rörlighet och, som ett resultat, hur de rör sig i strukturen [3] . Men i vissa fall kan det faktum att elektroner och hål är heta vara obetydligt: till exempel i fotoceller är fotogenereringen av nya elektron-hålpar viktig (och inte energin hos de uppenbara bärarna: överskottsenergi går förlorad i form av värme) [4] . $T$ $T_{eff}>T$

Om en varm bärare kommer in i ett område med svagt fält, slappnar den gradvis av, främst på grund av spridning av fononer , men stötjonisering och strålningsövergångar spelar en viss roll .

Varmbärarinjektion i en FET

Allmän beskrivning av situationen

Varmbärarinjektion implementeras i en mängd olika strukturer med olika kombinationer av material och under olika förhållanden för att applicera spänningar på enhetens terminaler (till exempel i en fälteffekttransistor kan heta elektroner injiceras från substratet till grinden, från grinden till underlaget, från kanalen till avloppet, det finns andra alternativ) .

Mest traditionellt förstås insprutning av heta bärare som inträde av elektroner (eller hål) som värms upp i en kanal till ett dielektrikum, huvudsakligen i inflödesområdet. Huvudmaterialen i detta fall är kisel som halvledare och kiseldioxid som dielektrikum.

För att komma in i ledningsbandet för SiO2 - dielektriken genom emission över barriären måste en elektron få en kinetisk energi som är ungefär lika med 3,2 eV . För att hål ska komma in i valensbandet för oxiden krävs en energi på 4,6 eV. Om bäraren är varm, men dess energi ligger under dessa värden, är tunnling möjlig, vilket i hög grad underlättas i jämförelse med fallet med termiskt jämviktsbärare.

Inverkan på statistik

På grund av uppkomsten av grindströmmen under injektionen av heta bärare (främst elektroner), minskar dräneringsströmmen, eftersom några av elektronerna som startar från källan inte når den.

Tillsammans med detta fångas heta elektroner av existerande defekter i dielektrikumet; det uppstår en laddning som förvränger potentialfördelningen i strukturen och ändrar formen på ingångs- och utgångsegenskaperna.

Heta elektroner kan också generera ytterligare fälldefekter, vilket förvärrar situationen. Nämligen, vid gränsytan mellan kisel och oxid, finns det vanligtvis en viss mängd väteatomer , som passiverar ytan och bildar Si-H-bindningar. När den "hittar" bindningen bryter den heta elektronen den, vilket skapar en lokal gränssnittsdefekt; i detta fall frigörs väteatomen från substratet.

Om det finns många gränssnittsdefekter ändras tröskelspänningen och undertröskellutningen försämras. Mobiliteten och frekvensegenskaperna för den integrerade kretsen försämras också .

Skalning och tillförlitlighet

Den viktigaste trenden i utvecklingen av industriell elektronik är en ökning av graden av integration av mikrokretselement, baserat på en minskning av storleken ( skalning ) av huvudelementet - en fälteffekttransistor.

I det här fallet ökar de interna elektriska fälten, vilket förbättrar enhetens prestanda vid höga frekvenser [5] , men skapar samtidigt problem, eftersom energin som uppnås av bärarna i kanalen ökar, och deras insprutning i dielektrikumet blir mer destruktiv.

Problem uppstår när enheten används under en längre tid. Särskilt ogynnsamt (farligare än tunnelläckage) är inträngandet av heta bärare i den tillåtna zonen av dielektrikumet, vilket provocerar sammanbrott och fullständigt fel på elementet. Men långvarig gradvis nedbrytning av dielektrikumet under ackumuleringen av defekter kan radikalt förändra egenskaperna hos MOS-transistorn, inklusive att orsaka en förskjutning i dess tröskelspänning, vilket leder till felaktig drift av hela den integrerade kretsen. Nedbrytning av enheten på grund av ackumulering av defekter från injektion av heta bärare kallas "degradering från heta bärare" ( eng. hot carrier degtadation ). Ofta föregår nedbrytning nedbrytning, det finns en speciell egenskap av tillförlitlighet: en laddning, vars överföring genom ett dielektrikum orsakar sammanbrott ( eng. charge-to-breakdown , C/cm 2 ).

Varmbärarinjektion i andra enheter

I detektorer

Insprutningen av heta bärare sker i halvledardetektorer av partiklar och ljuskvanta. Effekten av protoner eller elektroner (inklusive i rymden) är i huvudsak deras injicering i strukturen, och energin kan nå tiotals och hundratals eV. Heta bärare kan också skapas i själva detektorn genom att absorbera röntgenstrålar och gammastrålar , följt av överföring till andra delar av instrumentet.

I flashminneselement

Injektion av heta media är kärnan i element i icke-flyktigt flashminne ( EEPROM ).

Dessa celler använder principen om varmbärarinjektion genom att avsiktligt införa dem genom oxidskiktet för att ladda den flytande grinden . Närvaron av laddning ändrar tröskelspänningen för MOSFET för att representera det logiska tillståndet "0". En oladdad flytande grind representerar ett logiskt tillstånd "1". När en icke-flyktig flashminnescell raderas, tas den lagrade laddningen bort genom Fowler-Nordheim tunneling .

Skador på dielektrikumet under injektion är en av faktorerna som begränsar det möjliga antalet skriv-raderingscykler i sådana element.

I tunna filmceller

Inom mikroelektronik används tunnfilmstrioder på heta elektroner baserade på strukturerna "metall-dielektrisk-metall-dielektrisk-metall" eller "metall-halvledare-metall-halvledar-metall" [6] .

Se även

elektromigrering

Länkar

Artikel om heta bärare. Arkiverad kopia . Datum för åtkomst: 8 december 2014. Arkiverad från originalet 13 februari 2014. (obestämd)
IEEE International Reliability Physics Symposium - den huvudsakliga vetenskapliga och tekniska konferensen om tillförlitligheten hos halvledare, inklusive fenomenet varmbärarinjektion (tillgänglig: 8 december 2014)

Anteckningar

↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging , IEEE Spectrum Arkiverad 26 januari 2019 på Wayback Machine , maj 2011 (tillgänglig 8 december 2014)
↑ Conwell, EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
↑ Varmelektroneffekt i supraledare och dess tillämpningar för strålningssensorer // LLE Review: journal. — Vol. 87 . — S. 134 . Arkiverad från originalet den 20 mars 2012. ( PDF ) (Hämtad 8 december 2014)
↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, B.A.; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Varmelektronöverföring från halvledarnanokristaller (engelska) // Science : journal. - 2010. - Vol. 328 . - S. 1543 . - doi : 10.1126/science.1185509 . - .
↑ Richard C. Dorf (red) The Electrical Engineering Handbook , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 sida 578
↑ Kolesov L. N. Introduktion till teknisk mikroelektronik. - M., sovjetisk radio, 1974. - sid. 123-125