Русская Википедия:Инжекция горячих носителей
Инже́кция горя́чих носи́телей (Шаблон:Lang-en) — явление в приборах твердотельной электроники, при котором электроны или дырки переходят из одной области прибора в другую, являясь или становясь горячими хотя бы в одной из этих областей. Смысл слова «горячие» здесь в том, что энергетическое распределение электронов или дырок приближённо описывается произведением плотности состояний на функцию Ферми с более высокой, до тысяч кельвин, эффективной температурой, чем температура прибора.
Явление имеет место во многих структурах. Наиболее значим случай инжекции горячих носителей в подзатворный диэлектрик в полевом МОП-транзисторе (после приобретения при движении в канале достаточной кинетической энергии для преодоления барьера на стыке полупроводник—диэлектрик) путём эмиссии или туннелирования. При этом вошедшие в диэлектрик носители могут создавать паразитный ток затвора, а также оказаться «пойманными» на дефекты диэлектрика, что искажает рабочие характеристики транзистора[1].
Понятие «горячие носители»
Термин «горячий носитель» введён для описания неравновесных электронов (или дырок) с энергией существенно выше тепловой энергии <math>kT</math> (<math>k</math> — постоянная Больцмана, <math>T</math> — температура образца) в полупроводниках[2]. Носители с такой повышенной энергией могут появиться различными путями: в сильном электрическом поле, при поглощении фотона с энергией кванта намного больше ширины запрещённой зоны материала, при прохождении над потенциальной ступенькой (в гетеропереходах), при воздействии ионизирующего излучения.
На зонной диаграмме горячие электроны находятся существенно выше дна зоны проводимости <math>E_c</math> материала (в отличие от равновесных, которые располагаются около <math>E_c</math>). Горячие дырки находятся существенно ниже потолка валентной зоны <math>E_v</math>.
Во многих ситуациях вероятность заполнения электронных/дырочных состояний может быть описана функцией Ферми, если в неё вместо <math>T</math> подставить повышенную величину <math>T_{eff} > T</math>. Бо́льшая температура (как отражение более высокой энергии частиц в ансамбле) влияет на подвижность носителей заряда и, как следствие, на то, как они движутся в структуре[3]. Однако, в ряде случаев тот факт, что электроны и дырки являются горячими, может быть незначимым: скажем, в фотоэлементах важна сама фотогенерация новых электронно-дырочных пар (а не энергия появившихся носителей: избыточная энергия теряется в виде тепла)[4].
Если горячий носитель попал в область слабого поля, происходит его постепенная релаксация, в основном за счёт рассеяния на фононах, но определённую роль играют ударная ионизация и излучательные переходы.
Инжекция горячих носителей в полевом транзисторе
Общее описание ситуации
Инжекция горячих носителей реализуется в разнообразных структурах с различными комбинациями материалов и при разных условиях подачи напряжений на клеммы прибора (так, в полевом транзисторе горячие электроны могут инжектироваться из подложки в затвор, из затвора в подложку, из канала в сток, есть и иные варианты).
Наиболее традиционно под инжекцией горячих носителей понимается попадание разогретых в канале электронов (или дырок) в диэлектрик, преимущественно в пристоковой области. Основными материалами при этом являются кремний в качестве полупроводника и диоксид кремния в качестве диэлектрика.
Чтобы войти в зону проводимости диэлектрика SiO2 путём надбарьерной эмиссии, электрон должен получить кинетическую энергию примерно равную 3,2 эВ. Для попадания дырок в валентную зону окисла требуется наличие энергии в 4,6 эВ. Если носитель горячий, но его энергия ниже этих значений, возможно туннелирование, которое значительно облегчается по сравнению со случаем термически равновесных носителей.
Влияние на характеристики
Из-за появления тока затвора при инжекции горячих носителей (в основном, имеются в виду электроны) снижается ток стока, так как до него не доходит часть электронов, стартовавших из истока.
Наряду с этим, горячие электроны захватываются существующими в диэлектрике дефектами; там возникает заряд, искажающий распределение потенциала в структуре и изменяющий вид входных и выходных характеристик.
Горячие электроны могут также порождать дополнительные дефекты-ловушки, что усугубляет ситуацию. А именно, на границе кремния с оксидом обычно присутствует какое-то количество атомов водорода, которые пассивируют поверхность, формируя связи Si-H. «Ударяя» в связь, горячий электрон разрывает её, создавая локальный дефект интерфейса; при этом атом водорода высвобождается из подложки.
Если дефектов интерфейса много, пороговое напряжение изменяется и подпороговая крутизна ухудшается. Также деградируют подвижность и частотные характеристики интегральной схемы.
Скейлинг и надёжность
Важнейшим трендом развития промышленной электроники является повышение степени интеграции элементов микросхем, базирующееся на уменьшении размеров (скейлинге) основного элемента — полевого транзистора.
При этом внутренние электрические поля увеличиваются, что улучшает некоторые показатели функционирования прибора на высоких частотах[5], но одновременно создаёт проблемы, так как повышается энергия, достигаемая носителями в канале, — и их инжекция в диэлектрик становится более разрушительной.
Проблемы проявляются при длительной эксплуатации прибора. Особенно неблагоприятно (более опасно, чем туннельная утечка) попадание горячих носителей в разрешённую зону диэлектрика, провоцирующее пробой и полный отказ элемента. Но и длительная постепенная деградация диэлектрика при накоплении дефектов может кардинально изменить характеристики МОП-транзистора, в том числе вызывать сдвиг его порогового напряжения, что приводит к неправильной работе всей интегральной схемы. Деградация устройства по причине накопления дефектов от инжекции горячих носителей получила название «деградация от горячих носителей» (Шаблон:Lang-en). Нередко деградация предшествует пробою, существует специальная характеристика надежности: заряд, перенос которого через диэлектрик вызывает пробой (Шаблон:Lang-en, Кл/см2).
Инжекция горячих носителей в других приборах
В детекторах
Инжекция горячих носителей происходит в полупроводниковых детекторах частиц и квантов света. Воздействие протонов или электронов (в том числе в космосе) по сути является их инжекцией в структуру, причём энергия может достигать десятков и сотен эВ. Горячие носители могут также создаваться в самом детекторе за счёт поглощения рентгеновских и гамма-лучей с последующим переносом в другие области прибора.
В элементах флеш-памяти
Инжекция горячих носителей лежит в основе работы элементов энергонезависимой флеш-памяти (EEPROM).
В этих элементах используется принцип инжекции горячих носителей путём их намеренного ввода через оксидный слой для зарядки плавающего затвора. Наличие заряда изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора для представления логического состояния «0». Незаряженный плавающий затвор представляет логическое состояние «1». При стирании ячейки энергонезависимой флеш-памяти сохранённый заряд удаляется путём туннелирования Фаулера—Нордгейма.
Повреждение диэлектрика при инжекции является одним из факторов, ограничивающих возможное число циклов записи—-стирания в таких элементах.
В тонкоплёночных элементах
В микроэлектронике используются тонкоплёночные триоды на горячих электронах на основе структур «металл-диэлектрик-металл-диэлектрик-металл» или «металл-полупроводник-металл-полупроводник-металл»[6].
См. также
Ссылки
- Статья о горячих носителях. Шаблон:Cite web
- IEEE International Reliability Physics Symposium — основная научно-техническая конференция по надёжности полупроводников, включая явление инжекции горячих носителей Шаблон:Проверено
Примечания
- ↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging, IEEE Spectrum Шаблон:Wayback, May 2011 Шаблон:Проверено
- ↑ Conwell, E. M., High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
- ↑ Шаблон:Статья Шаблон:Ref-pdf Шаблон:Проверено
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Richard C. Dorf (ed) The Electrical Engineering Handbook, CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 page 578
- ↑ Колесов Л. Н. Введение в инженерную микроэлектронику. — М., Советское радио, 1974. — с. 123-125
