Hot carrier injektion

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 21. august 2020; checks kræver 3 redigeringer .

Hot -carrier-injektion er et fænomen i solid-state elektroniske enheder , hvor elektroner eller huller bevæger sig fra et område af enheden til et andet, idet de er eller bliver varme i mindst et af disse områder. Betydningen af ordet "varm" er her, at energifordelingen af elektroner eller huller tilnærmelsesvis beskrives ved produktet af tætheden af tilstande og Fermi-funktionen med en højere effektiv temperatur, op til tusindvis af kelvin, end temperaturen af enhed.

Fænomenet finder sted i mange strukturer. Det mest betydningsfulde tilfælde er injektionen af varme bærere i gate-dielektrikumet i en MOSFET (efter at have erhvervet tilstrækkelig kinetisk energi under bevægelse i kanalen til at overvinde barrieren ved den halvleder-dielektriske forbindelse) ved emission eller tunneling . I dette tilfælde kan bærere, der kommer ind i dielektrikumet, skabe en parasitisk gatestrøm og også blive "fanget" af dielektriske defekter, hvilket forvrænger transistorens ydeevne [1] .

Begrebet "hot carriers"

Udtrykket "varm bærer" blev introduceret for at beskrive ikke-ligevægtselektroner (eller huller) med en energi, der er meget højere end den termiske energi ( er Boltzmann-konstanten , er prøvetemperaturen) i halvledere [2] . Bærere med en sådan øget energi kan optræde på forskellige måder: i et stærkt elektrisk felt, når de absorberer en foton med en kvanteenergi, der er meget større end materialets båndgab , når de passerer over et potentielt trin (i heterojunctions ), når de udsættes for ioniserende stråling. $kT$ $k$ $T$

På bånddiagrammet er varme elektroner placeret væsentligt over bunden af materialets ledningsbånd (i modsætning til ligevægten, som er placeret i nærheden af ). Varme huller er placeret et godt stykke under toppen af valensbåndet . $E_{c}$ $E_{c}$ $E_{v}$

I mange situationer kan sandsynligheden for at udfylde elektron-/hultilstande beskrives ved Fermi-funktionen , hvis en øget værdi erstattes af den . Højere temperatur (som en afspejling af den højere energi af partiklerne i ensemblet) påvirker ladningsbærernes mobilitet og som et resultat, hvordan de bevæger sig i strukturen [3] . Men i nogle tilfælde kan det faktum, at elektroner og huller er varme, være ubetydeligt: for eksempel i fotoceller er fotogenereringen af nye elektron-hul-par vigtig (og ikke energien af de fremkomne bærere: overskydende energi går tabt i form for varme) [4] . $T$ $T_{eff}>T$

Hvis en varm bærer kommer ind i et svagt feltområde, slapper den gradvist af, hovedsageligt på grund af spredning fra fononer , men stødionisering og strålingsovergange spiller en vis rolle .

Hot carrier injektion i en FET

Generel beskrivelse af situationen

Varmbærerinjektion er implementeret i en række forskellige strukturer med forskellige kombinationer af materialer og under forskellige betingelser for påføring af spændinger til enhedsterminalerne (for eksempel i en felteffekttransistor kan varme elektroner injiceres fra substratet til porten, fra porten til underlaget, fra kanalen til afløbet, der er andre muligheder).

Mest traditionelt forstås injektion af varme bærere som indtrængen af elektroner (eller huller) opvarmet i en kanal til et dielektrikum, hovedsageligt i indstrømningsområdet. Hovedmaterialerne i dette tilfælde er silicium som halvleder og siliciumdioxid som dielektrikum.

For at komme ind i ledningsbåndet af SiO 2 -dielektrikumet ved emission over barrieren, skal en elektron modtage en kinetisk energi, der er omtrent lig med 3,2 eV . For at huller skal komme ind i valensbåndet af oxidet, kræves en energi på 4,6 eV. Hvis bæreren er varm, men dens energi er under disse værdier, er tunnelering mulig, hvilket er meget lettet i sammenligning med tilfældet med termisk ligevægtsbærere.

Indvirkning på statistik

På grund af gatestrømmens udseende under injektionen af varme bærere (hovedsageligt elektroner), falder drænstrømmen, da nogle af elektronerne, der starter fra kilden, ikke når den.

Sammen med dette fanges varme elektroner af eksisterende defekter i dielektrikumet; der opstår en ladning, der forvrænger potentialfordelingen i strukturen og ændrer formen på input- og outputkarakteristika.

Varme elektroner kan også generere yderligere fældedefekter, hvilket forværrer situationen. Nemlig ved grænsefladen mellem silicium og oxid er der normalt en vis mængde brintatomer , som passiverer overfladen og danner Si-H-bindinger. Når den "hitte" bindingen, bryder den varme elektron den, hvilket skaber en lokal grænsefladedefekt; i dette tilfælde frigives hydrogenatomet fra substratet.

Hvis der er mange grænsefladedefekter, ændres tærskelspændingen, og undertærskelhældningen forringes. Mobiliteten og frekvensegenskaberne for det integrerede kredsløb forringes også .

Skalering og pålidelighed

Den vigtigste tendens i udviklingen af industriel elektronik er en stigning i graden af integration af mikrokredsløbselementer, baseret på et fald i størrelsen ( skalering ) af hovedelementet - en felteffekttransistor.

I dette tilfælde øges de interne elektriske felter, hvilket forbedrer en vis ydeevne af enheden ved høje frekvenser [5] , men skaber samtidig problemer, da energien opnået af bærerne i kanalen øges, og deres indsprøjtning i dielektrikummet bliver mere destruktiv.

Der opstår problemer, når enheden bruges i længere tid. Særligt ugunstigt (mere farligt end tunnellækage) er indtrængen af varme bærere i den tilladte zone af dielektrikumet, hvilket fremkalder sammenbrud og fuldstændig svigt af elementet. Men langsigtet gradvis nedbrydning af dielektrikumet under akkumulering af defekter kan radikalt ændre MOS-transistorens egenskaber, herunder forårsage et skift i dens tærskelspænding, hvilket fører til forkert drift af hele det integrerede kredsløb. Nedbrydning af enheden på grund af akkumulering af defekter fra injektion af varme bærere kaldes "nedbrydning fra varme bærere" ( eng. hot carrier degtadation ). Ofte går nedbrydning forud for nedbrydning, der er en særlig karakteristik af pålidelighed: en ladning, hvis overførsel gennem et dielektrikum forårsager nedbrydning ( eng. charge-to-breakdown , C/cm 2 ).

Hot carrier-injektion i andre enheder

I detektorer

Injektionen af varme bærere sker i halvlederdetektorer af partikler og lyskvanter. Indvirkningen af protoner eller elektroner (inklusive i rummet) er i det væsentlige deres indsprøjtning i strukturen, og energien kan nå titusinder og hundredvis af eV. Varme bærere kan også skabes i selve detektoren ved at absorbere røntgenstråler og gammastråler , efterfulgt af overførsel til andre områder af instrumentet.

I flash-hukommelseselementer

Injektion af varme medier er kernen i EEPROM - elementer (non-volatile flash memory).

Disse celler bruger princippet om hot carrier-injektion ved bevidst at indføre dem gennem oxidlaget for at oplade den flydende gate . Tilstedeværelsen af ladning ændrer tærskelspændingen af MOSFET'en til at repræsentere den logiske tilstand "0". En uladet flydende gate repræsenterer en logisk tilstand på "1". Når en ikke-flygtig flashhukommelsescelle slettes, fjernes den lagrede ladning ved Fowler-Nordheim-tunneling .

Beskadigelse af dielektrikumet under injektion er en af de faktorer, der begrænser det mulige antal skrive-slette-cyklusser i sådanne elementer.

I tynde filmceller

I mikroelektronik anvendes tyndfilmstrioder på varme elektroner baseret på strukturerne "metal-dielektrisk-metal-dielektrisk-metal" eller "metal-halvleder-metal-halvleder-metal" [6] .

Se også

elektromigrering

Noter

↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging , IEEE Spectrum Arkiveret 26. januar 2019 på Wayback Machine , maj 2011 (Få adgang 8. december 2014)
↑ Conwell, EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
↑ Hot-Electron Effect in Superconductors and Its Applications for Radiation Sensors // LLE Review: journal. — Bd. 87 . — S. 134 . Arkiveret fra originalen den 20. marts 2012. ( PDF ) (Hentet 8. december 2014)
↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, B.A.; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals (engelsk) // Science : journal. - 2010. - Bd. 328 . - S. 1543 . - doi : 10.1126/science.1185509 . - .
↑ Richard C. Dorf (red) The Electrical Engineering Handbook , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 side 578
↑ Kolesov L. N. Introduktion til ingeniørmikroelektronik. - M., sovjetisk radio, 1974. - s. 123-125