Инжекция горячих носителей

Инжекция горячих носителей (англ. Hot-carrier injection) — это явление в устройствах твердотельной электроники, при котором электрон, или дырка получает достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера, что необходимо для смены состояния. Термин «горячий» указывает на эффективную температуру, используемую для моделирования плотности носителей, и не относится к температуре устройства. Так как носители заряда могут быть пойманы затвором диэлектрика МОП-транзистора, то переключение характеристик транзистора может быть произведено навсегда. Инжекция горячих носителей является одним из механизмов, который отрицательно сказывается на надёжности полупроводниковых твердотельных устройств.

Теория

Термин «инжекция горячих носителей» обычно указывает на применение технологии тунеллирования разогнанных электронов сквозь тонкую пленку диэлектрика в МОП-структуре. Технология применяется, например, для изменения заряда изолированных областей полупроводниковой структуры (так называемых карманов), выполняющих роль запоминающей ячейки в микросхемах EEPROM и флеш-памяти. Разгон электронов производится путём создания тока в проводящем канале. Канал, диэлектрик и карман образуют полевой транзистор.

Чтобы стать «горячим» и войти в зону проводимости диэлектрика, изготовленного из диоксида кремния SiO₂, электрон должен получить кинетическую энергию примерно равную 3,2 эВ. Для дыр, валентная зона в этом случае смещается и диктует необходимость наличия энергии в 4,6 эВ. Термин «горячие электроны» происходит от эффективной температуры, используемой при моделировании плотности носителей (то есть с функцией Ферми-Дирака) и не относится к температуре полупроводника (который может быть физически холодным).

Первоначально термин «горячий электрон» введён для описания неравновесных электронов (или дырок) в полупроводниках. В более широком смысле термин описывает распределение электронов в соответствии с функцией Ферми, но с повышенной эффективной температурой. Эта бо́льшая энергия влияет на подвижность носителей заряда и, как следствие, влияет на то, как они проходят через полупроводниковое устройство.

«Горячие электроны» могут туннелировать из полупроводникового материала вместо рекомбинации с дыркой или проходить сквозь материал к коллектору. Последующими эффектами могут: быть увеличение тока утечки и возможное повреждение герметизирующего диэлектрического материала, если горячие носители нарушат атомную структуру диэлектрика.

Горячие электроны могут создаваться при условии ударов высокоэнергетических фотонов электромагнитного излучения (такого, как свет) о полупроводник. Энергия фотона может быть передана электрону, захватывая последнего из валентной зоны и образуя пару электрон-дырка. Если электрон получает энергию, достаточную чтобы оставить валентную зону и перейти в зону проводимости, то он становится горячим электроном. Такие электроны характеризуются высокими эффективными температурами. Из-за таких высоких эффективных температур горячие электроны очень подвижны и скорее всего смогут оставить полупроводник для перемещения к другим окружающим материалам.

В некоторых полупроводниковых приборах энергия, рассеиваемая горячими электронами от фотонов, является неэффективной и теряется в виде тепла. Например, некоторые солнечные элементы опираются на фотоэлектрические свойства полупроводников при преобразовании энергии света в электричество. В таких элементах эффект горячих электронов является причиной того, что часть энергии света теряется в виде тепла, а не преобразуется в электрическую энергию.

В основном, горячие электроны возникают при низких температурах, даже в вырождающихся полупроводниках или металлах. Есть ряд примеров для описания эффекта горячих электронов. Простейшее предсказание электрон-фотонного взаимодействия основано на трёхмерной модели свободных электронов. Модели эффекта горячих электронов иллюстрируют соотношение между рассеиваемой мощностью, температурой электронного газа и перегревом.

Влияние в транзисторах

В МОП-транзисторах горячие электроны имеют энергию, достаточную для туннелирования сквозь тонкий слой оксида затвора, что видно по току затвору или току утечки на подложке. Горячие электроны могут переходит из области канала или истока к затвору или к подложке.

Например, в МОМ-транзисторах, когда затвор имеет положительный заряд и схема включена, устройств разработано так, что электроны будут проходить через проводящий канал к истоку. Эти горячие электроны ничего не добавляют к величине тока, протекающего через канал, как им предназначено, а вместо этого уходят в ток утечки.

Попытки исправить или компенсировать эффект горячих электронов в МОП-транзисторах могут включать в себя размещение диода для обратного направления к затвору или другие манипуляции с устройством (например, использование слабо легированного истока или истоков с двойным легированием).

Когда электроны ускоряются в канале, то получают энергию по всей его длине. Эта энергия теряется двумя различными способами:

1. Носитель ударяет атом в подложке. Тогда столкновение создаёт холодный носитель и дополнительную пару электрон-дырка. В случае nМОП-транзисторов дополнительные электроны собираются каналом и дополнительные дырки убираются подложкой.
2. Носитель ударяет в связку Si-H и разрывает связь. Создаётся состояние интерфейса и атом водорода высвобождается из подложки.

Вероятность попадания в атом или в связь Si-H является случайной и средняя энергия всех вовлечённых в этот процесс элементов также случайна в обоих случаях.

Это является причиной того, почему ток подложки отслеживается во время ударов инжекции горячих электронов. Высокий ток подложки означает большое количество созданных пар электрон-дырка и, таким образом, эффективность разрыва связей Si-H.

Когда создано состояние интерфейса, пороговое напряжение изменяется и предпороговый наклон (англ. Subthreshold slope) снижается. Это приводит к снижению тока и ухудшает рабочую частоту интегральной схемы.

Масштабирование

Достижения в изготовлении полупроводников и постоянно растущий спрос на более быстрые и сложные интегральные схемы (ИС) привёл к появлению полевых транзисторов с МОП-структурой, масштабированных к малым размерам.

Однако, не было возможности пропорционально масштабировать источники питания, используемые для работы с этими ИС, из-за таких факторов, как совместимость со схемами предыдущего поколения, уровень помех, требования мощности и задержек, а также отсутствие масштабирования порогового напряжения, предпорогового наклона и паразитной ёмкости.

В результате внутренние электрические поля увеличиваются в агрессивно масштабируемых МОП-транзисторах, что даёт дополнительные преимущества с увеличением скоростей горячих носителей (до насыщения скоростной характеристики), и, следовательно, увеличение скорости переключения, но также представляет собой серьёзную проблему надёжности для длительной эксплуатации этих устройств, так как высокие поля индуцируют инжекцию горячих носителей, которая влияет на надёжность устройства.

Большие электрические поля в МОП-транзисторах подразумевают наличие носителей высоких энергий, называемых «горячими носителями». Эти горячие носители обладают достаточно высокими энергиями и импульсом, что позволяет им быть «введёнными» из полупроводника в окружающие диэлектрические плёнки, такие как затвор и боковины, покрытые оксидами, в случае МОП-транзисторов с кремнием на изоляторе.

Влияние на надёжность

Наличие подвижных носителей в оксидных пленках запускает процессы деградации диэлектрика, которые через продолжительный период времени могут кардинально изменить характеристики устройства. Накопление повреждений может привести к неправильной работе схемы из-за изменения ключевых параметров транзистора (смещение порогового напряжения вследствие повреждения оксидной пленки). Деградация устройства по причине накопления повреждений от инжекции горячих носителей, получила название «деградация горячих носителей».

Таким образом, полезное время жизни схем и интегральных схем с подобными МОП-структурами зависит от срока службы самой МОП-структуры. Чтобы убедиться в том, что интегральные схемы, изготовленные с минимальной геометрией устройства, не имеют нарушений срока их минимальной полезной эксплуатации, должна быть хорошо изучена деградация их компонентов вследствие инжекции горячих носителей. Несоблюдение технологии точно характеризуется эффектами времени жизни компонентов с инжекцией горячих носителей и в конечном итоге неаккуратность при производстве влияет на деловые расходы, такие как производственная гарантия, стоимость поддержки, маркетинговые обещания и предполагаемые уровни производственных поставок производителем интегральных схем.

Отношение к радиации

Деградация компонентов с горячими носителями в основе своей такая же, как и от воздействия ионизирующего излучения, известного как общая доза ущерба в полупроводниках, опытным путём исследованного в космических системах при воздействии солнечных протонов, электронов, рентгеновских и гамма-лучей.

Применение во флеш-памяти

Инжекция горячих носителей является основой для изготовления энергонезависимой памяти, подобной технологии ячеек памяти EEPROM. Как только было признано влияние потенциального вреда инжекции горячих носителей на надёжность схемы, были разработаны несколько стратегий изготовления для уменьшения такого вреда без ущерба для производительности схемы.

Энергонезависимая память использует принцип инжекции горячих носителей путём их намеренного «вброса» через оксидный слой затвора для зарядки плавающего затвора. Этот заряд изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора для представления логического состояния «0». Незаряженный плавающий затвор представляет логическое состояние «1». Стирание ячеек энергонезависимой флеш-памяти удаляет сохранённый заряд в ходе процесса туннелирования Фаулера — Нордгейма.

По причине того, что повреждения оксида происходят в ходе нормальной работы энергонезависимой памяти, повреждения инжекцией горячих носителей являются одним из факторов, ограничивающих число циклов записи-стирания. Так как возможность удерживать заряд и формировать дырки-ловушки в оксиде влияет на способность иметь различные состояния заряда «1» и «0», то результатом отключения энергонезависимой памяти будет возможность использовать её длительное время. Количество циклов перезаписи, при котором «1» и «0» уже не могут быть различимы, и определяет срок службы энергонезависимой памяти.

См. также

• Электромиграция

Ссылки

• Статья о горячих носителях. [web.archive.org/20140213001321/www.siliconfareast.com/hotcarriers.htm Архивная копия] от 13 февраля 2014 на Wayback Machine
• IEEE [www.irps.org/ International Reliability Physics Symposium] — основная научно-техническая конференция по надёжности полупроводников, включая явление инжекции горячих носителей  (Проверено 8 декабря 2014)

Отрывок, характеризующий Инжекция горячих носителей

И она целовала ее в голову. Соня приподнялась, и котеночек оживился, глазки заблистали, и он готов был, казалось, вот вот взмахнуть хвостом, вспрыгнуть на мягкие лапки и опять заиграть с клубком, как ему и было прилично.
– Ты думаешь? Право? Ей Богу? – сказала она, быстро оправляя платье и прическу.
– Право, ей Богу! – отвечала Наташа, оправляя своему другу под косой выбившуюся прядь жестких волос.
И они обе засмеялись.
– Ну, пойдем петь «Ключ».
– Пойдем.
– А знаешь, этот толстый Пьер, что против меня сидел, такой смешной! – сказала вдруг Наташа, останавливаясь. – Мне очень весело!
И Наташа побежала по коридору.
Соня, отряхнув пух и спрятав стихи за пазуху, к шейке с выступавшими костями груди, легкими, веселыми шагами, с раскрасневшимся лицом, побежала вслед за Наташей по коридору в диванную. По просьбе гостей молодые люди спели квартет «Ключ», который всем очень понравился; потом Николай спел вновь выученную им песню.
В приятну ночь, при лунном свете,
Представить счастливо себе,
Что некто есть еще на свете,
Кто думает и о тебе!
Что и она, рукой прекрасной,
По арфе золотой бродя,
Своей гармониею страстной
Зовет к себе, зовет тебя!
Еще день, два, и рай настанет…
Но ах! твой друг не доживет!
И он не допел еще последних слов, когда в зале молодежь приготовилась к танцам и на хорах застучали ногами и закашляли музыканты.

Пьер сидел в гостиной, где Шиншин, как с приезжим из за границы, завел с ним скучный для Пьера политический разговор, к которому присоединились и другие. Когда заиграла музыка, Наташа вошла в гостиную и, подойдя прямо к Пьеру, смеясь и краснея, сказала:
– Мама велела вас просить танцовать.
– Я боюсь спутать фигуры, – сказал Пьер, – но ежели вы хотите быть моим учителем…
И он подал свою толстую руку, низко опуская ее, тоненькой девочке.
Пока расстанавливались пары и строили музыканты, Пьер сел с своей маленькой дамой. Наташа была совершенно счастлива; она танцовала с большим , с приехавшим из за границы . Она сидела на виду у всех и разговаривала с ним, как большая. У нее в руке был веер, который ей дала подержать одна барышня. И, приняв самую светскую позу (Бог знает, где и когда она этому научилась), она, обмахиваясь веером и улыбаясь через веер, говорила с своим кавалером.
– Какова, какова? Смотрите, смотрите, – сказала старая графиня, проходя через залу и указывая на Наташу.
Наташа покраснела и засмеялась.
– Ну, что вы, мама? Ну, что вам за охота? Что ж тут удивительного?

В середине третьего экосеза зашевелились стулья в гостиной, где играли граф и Марья Дмитриевна, и большая часть почетных гостей и старички, потягиваясь после долгого сиденья и укладывая в карманы бумажники и кошельки, выходили в двери залы. Впереди шла Марья Дмитриевна с графом – оба с веселыми лицами. Граф с шутливою вежливостью, как то по балетному, подал округленную руку Марье Дмитриевне. Он выпрямился, и лицо его озарилось особенною молодецки хитрою улыбкой, и как только дотанцовали последнюю фигуру экосеза, он ударил в ладоши музыкантам и закричал на хоры, обращаясь к первой скрипке:
– Семен! Данилу Купора знаешь?
Это был любимый танец графа, танцованный им еще в молодости. (Данило Купор была собственно одна фигура англеза .)
– Смотрите на папа, – закричала на всю залу Наташа (совершенно забыв, что она танцует с большим), пригибая к коленам свою кудрявую головку и заливаясь своим звонким смехом по всей зале.
Действительно, всё, что только было в зале, с улыбкою радости смотрело на веселого старичка, который рядом с своею сановитою дамой, Марьей Дмитриевной, бывшей выше его ростом, округлял руки, в такт потряхивая ими, расправлял плечи, вывертывал ноги, слегка притопывая, и всё более и более распускавшеюся улыбкой на своем круглом лице приготовлял зрителей к тому, что будет. Как только заслышались веселые, вызывающие звуки Данилы Купора, похожие на развеселого трепачка, все двери залы вдруг заставились с одной стороны мужскими, с другой – женскими улыбающимися лицами дворовых, вышедших посмотреть на веселящегося барина.
– Батюшка то наш! Орел! – проговорила громко няня из одной двери.
Граф танцовал хорошо и знал это, но его дама вовсе не умела и не хотела хорошо танцовать. Ее огромное тело стояло прямо с опущенными вниз мощными руками (она передала ридикюль графине); только одно строгое, но красивое лицо ее танцовало. Что выражалось во всей круглой фигуре графа, у Марьи Дмитриевны выражалось лишь в более и более улыбающемся лице и вздергивающемся носе. Но зато, ежели граф, всё более и более расходясь, пленял зрителей неожиданностью ловких выверток и легких прыжков своих мягких ног, Марья Дмитриевна малейшим усердием при движении плеч или округлении рук в поворотах и притопываньях, производила не меньшее впечатление по заслуге, которую ценил всякий при ее тучности и всегдашней суровости. Пляска оживлялась всё более и более. Визави не могли ни на минуту обратить на себя внимания и даже не старались о том. Всё было занято графом и Марьею Дмитриевной. Наташа дергала за рукава и платье всех присутствовавших, которые и без того не спускали глаз с танцующих, и требовала, чтоб смотрели на папеньку. Граф в промежутках танца тяжело переводил дух, махал и кричал музыкантам, чтоб они играли скорее. Скорее, скорее и скорее, лише, лише и лише развертывался граф, то на цыпочках, то на каблуках, носясь вокруг Марьи Дмитриевны и, наконец, повернув свою даму к ее месту, сделал последнее па, подняв сзади кверху свою мягкую ногу, склонив вспотевшую голову с улыбающимся лицом и округло размахнув правою рукой среди грохота рукоплесканий и хохота, особенно Наташи. Оба танцующие остановились, тяжело переводя дыхание и утираясь батистовыми платками.
– Вот как в наше время танцовывали, ma chere, – сказал граф.
– Ай да Данила Купор! – тяжело и продолжительно выпуская дух и засучивая рукава, сказала Марья Дмитриевна.


В то время как у Ростовых танцовали в зале шестой англез под звуки от усталости фальшививших музыкантов, и усталые официанты и повара готовили ужин, с графом Безухим сделался шестой удар. Доктора объявили, что надежды к выздоровлению нет; больному дана была глухая исповедь и причастие; делали приготовления для соборования, и в доме была суетня и тревога ожидания, обыкновенные в такие минуты. Вне дома, за воротами толпились, скрываясь от подъезжавших экипажей, гробовщики, ожидая богатого заказа на похороны графа. Главнокомандующий Москвы, который беспрестанно присылал адъютантов узнавать о положении графа, в этот вечер сам приезжал проститься с знаменитым Екатерининским вельможей, графом Безухим.
Великолепная приемная комната была полна. Все почтительно встали, когда главнокомандующий, пробыв около получаса наедине с больным, вышел оттуда, слегка отвечая на поклоны и стараясь как можно скорее пройти мимо устремленных на него взглядов докторов, духовных лиц и родственников. Князь Василий, похудевший и побледневший за эти дни, провожал главнокомандующего и что то несколько раз тихо повторил ему.
Проводив главнокомандующего, князь Василий сел в зале один на стул, закинув высоко ногу на ногу, на коленку упирая локоть и рукою закрыв глаза. Посидев так несколько времени, он встал и непривычно поспешными шагами, оглядываясь кругом испуганными глазами, пошел чрез длинный коридор на заднюю половину дома, к старшей княжне.
Находившиеся в слабо освещенной комнате неровным шопотом говорили между собой и замолкали каждый раз и полными вопроса и ожидания глазами оглядывались на дверь, которая вела в покои умирающего и издавала слабый звук, когда кто нибудь выходил из нее или входил в нее.
– Предел человеческий, – говорил старичок, духовное лицо, даме, подсевшей к нему и наивно слушавшей его, – предел положен, его же не прейдеши.
– Я думаю, не поздно ли соборовать? – прибавляя духовный титул, спрашивала дама, как будто не имея на этот счет никакого своего мнения.
– Таинство, матушка, великое, – отвечало духовное лицо, проводя рукою по лысине, по которой пролегало несколько прядей зачесанных полуседых волос.
– Это кто же? сам главнокомандующий был? – спрашивали в другом конце комнаты. – Какой моложавый!…
– А седьмой десяток! Что, говорят, граф то не узнает уж? Хотели соборовать?
– Я одного знал: семь раз соборовался.
Вторая княжна только вышла из комнаты больного с заплаканными глазами и села подле доктора Лоррена, который в грациозной позе сидел под портретом Екатерины, облокотившись на стол.
– Tres beau, – говорил доктор, отвечая на вопрос о погоде, – tres beau, princesse, et puis, a Moscou on se croit a la campagne. [прекрасная погода, княжна, и потом Москва так похожа на деревню.]
– N'est ce pas? [Не правда ли?] – сказала княжна, вздыхая. – Так можно ему пить?
Лоррен задумался.
– Он принял лекарство?
– Да.
Доктор посмотрел на брегет.
– Возьмите стакан отварной воды и положите une pincee (он своими тонкими пальцами показал, что значит une pincee) de cremortartari… [щепотку кремортартара…]
– Не пило слушай , – говорил немец доктор адъютанту, – чтопи с третий удар шивь оставался .
– А какой свежий был мужчина! – говорил адъютант. – И кому пойдет это богатство? – прибавил он шопотом.
– Окотник найдутся , – улыбаясь, отвечал немец.
Все опять оглянулись на дверь: она скрипнула, и вторая княжна, сделав питье, показанное Лорреном, понесла его больному. Немец доктор подошел к Лоррену.
– Еще, может, дотянется до завтрашнего утра? – спросил немец, дурно выговаривая по французски.
Лоррен, поджав губы, строго и отрицательно помахал пальцем перед своим носом.
– Сегодня ночью, не позже, – сказал он тихо, с приличною улыбкой самодовольства в том, что ясно умеет понимать и выражать положение больного, и отошел.

Между тем князь Василий отворил дверь в комнату княжны.
В комнате было полутемно; только две лампадки горели перед образами, и хорошо пахло куреньем и цветами. Вся комната была установлена мелкою мебелью шифоньерок, шкапчиков, столиков. Из за ширм виднелись белые покрывала высокой пуховой кровати. Собачка залаяла.
– Ах, это вы, mon cousin?
Она встала и оправила волосы, которые у нее всегда, даже и теперь, были так необыкновенно гладки, как будто они были сделаны из одного куска с головой и покрыты лаком.
– Что, случилось что нибудь? – спросила она. – Я уже так напугалась.
– Ничего, всё то же; я только пришел поговорить с тобой, Катишь, о деле, – проговорил князь, устало садясь на кресло, с которого она встала. – Как ты нагрела, однако, – сказал он, – ну, садись сюда, causons. [поговорим.]
– Я думала, не случилось ли что? – сказала княжна и с своим неизменным, каменно строгим выражением лица села против князя, готовясь слушать.
– Хотела уснуть, mon cousin, и не могу.
– Ну, что, моя милая? – сказал князь Василий, взяв руку княжны и пригибая ее по своей привычке книзу.
Видно было, что это «ну, что» относилось ко многому такому, что, не называя, они понимали оба.
Княжна, с своею несообразно длинною по ногам, сухою и прямою талией, прямо и бесстрастно смотрела на князя выпуклыми серыми глазами. Она покачала головой и, вздохнув, посмотрела на образа. Жест ее можно было объяснить и как выражение печали и преданности, и как выражение усталости и надежды на скорый отдых. Князь Василий объяснил этот жест как выражение усталости.
– А мне то, – сказал он, – ты думаешь, легче? Je suis ereinte, comme un cheval de poste; [Я заморен, как почтовая лошадь;] а всё таки мне надо с тобой поговорить, Катишь, и очень серьезно.
Князь Василий замолчал, и щеки его начинали нервически подергиваться то на одну, то на другую сторону, придавая его лицу неприятное выражение, какое никогда не показывалось на лице князя Василия, когда он бывал в гостиных. Глаза его тоже были не такие, как всегда: то они смотрели нагло шутливо, то испуганно оглядывались.
Княжна, своими сухими, худыми руками придерживая на коленях собачку, внимательно смотрела в глаза князю Василию; но видно было, что она не прервет молчания вопросом, хотя бы ей пришлось молчать до утра.