Inyección de portador caliente
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 21 de agosto de 2020; las comprobaciones requieren 3 ediciones .La inyección de portadores calientes es un fenómeno en los dispositivos electrónicos de estado sólido , en el que los electrones o los huecos se mueven de una zona del dispositivo a otra, estando o calentándose en al menos una de estas zonas. El significado de la palabra "caliente" aquí es que la distribución de energía de electrones o huecos se describe aproximadamente por el producto de la densidad de estados y la función de Fermi con una temperatura efectiva más alta, hasta miles de kelvin, que la temperatura del dispositivo.
El fenómeno tiene lugar en muchas estructuras. El caso más significativo es la inyección de portadores calientes en la puerta dieléctrica de un MOSFET (después de adquirir suficiente energía cinética durante el movimiento en el canal para superar la barrera en la unión semiconductor-dieléctrica) por emisión o tunelización . En este caso, los portadores que ingresan al dieléctrico pueden crear una corriente de puerta parásita y también ser "atrapados" por defectos dieléctricos, lo que distorsiona el rendimiento del transistor [1] .
El concepto de "portadores calientes"
El término "portador caliente" se introdujo para describir los electrones (o huecos) fuera del equilibrio con una energía mucho más alta que la energía térmica ( es la constante de Boltzmann , es la temperatura de la muestra) en los semiconductores [2] . Los portadores con tal aumento de energía pueden aparecer de varias formas: en un campo eléctrico intenso, al absorber un fotón con una energía cuántica mucho mayor que la banda prohibida del material, al atravesar un escalón de potencial (en heterouniones ), al exponerse a radiación ionizante.
En el diagrama de bandas, los electrones calientes se ubican significativamente por encima de la parte inferior de la banda de conducción del material (en contraste con los de equilibrio, que se ubican cerca de ). Los agujeros calientes se encuentran muy por debajo de la parte superior de la banda de valencia .
En muchas situaciones, la probabilidad de llenar los estados de electrón/hueco se puede describir mediante la función de Fermi , si se sustituye un valor mayor en ella . Una temperatura más alta (como reflejo de la energía más alta de las partículas en el conjunto) afecta la movilidad de los portadores de carga y, como resultado, cómo se mueven en la estructura [3] . Sin embargo, en algunos casos, el hecho de que los electrones y los huecos estén calientes puede ser insignificante: por ejemplo, en las fotocélulas es importante la fotogeneración de nuevos pares electrón-hueco (y no la energía de los portadores aparecidos: el exceso de energía se pierde en la forma de calor) [4] .
Si un portador caliente ingresa a una región de campo débil, se relaja gradualmente, principalmente debido a la dispersión de fonones , pero la ionización por impacto y las transiciones radiativas juegan un cierto papel .
Inyección de portador caliente en un FET
Descripción general de la situación
La inyección de portadores calientes se implementa en una variedad de estructuras con varias combinaciones de materiales y bajo diferentes condiciones para aplicar voltajes a los terminales del dispositivo (por ejemplo, en un transistor de efecto de campo, se pueden inyectar electrones calientes desde el sustrato hasta la puerta, desde la compuerta al sustrato, del canal al desagüe, hay otras opciones).
Tradicionalmente, la inyección de portadores calientes se entiende como la entrada de electrones (o huecos) calentados en un canal en un dieléctrico, principalmente en la región de entrada. Los principales materiales en este caso son el silicio como semiconductor y el dióxido de silicio como dieléctrico.
Para entrar en la banda de conducción del dieléctrico SiO 2 por emisión por encima de la barrera, un electrón debe recibir una energía cinética aproximadamente igual a 3,2 eV . Para que los huecos entren en la banda de valencia del óxido se requiere una energía de 4,6 eV. Si el portador está caliente, pero su energía está por debajo de estos valores, es posible la formación de túneles, lo que se facilita mucho en comparación con el caso de los portadores en equilibrio térmico.
Impacto en las estadísticas
Debido a la aparición de la corriente de puerta durante la inyección de portadores calientes (principalmente electrones), la corriente de drenaje disminuye, ya que algunos de los electrones que parten de la fuente no llegan a ella.
Junto con esto, los electrones calientes son capturados por los defectos existentes en el dieléctrico; surge una carga que distorsiona la distribución de potencial en la estructura y cambia la forma de las características de entrada y salida.
Los electrones calientes también pueden generar defectos de trampa adicionales, lo que agrava la situación. Es decir, en la interfaz del silicio con el óxido, suele haber una cierta cantidad de átomos de hidrógeno , que pasivan la superficie, formando enlaces Si-H. "Golpeando" el enlace, el electrón caliente lo rompe, creando un defecto de interfaz local; en este caso, el átomo de hidrógeno se libera del sustrato.
Si hay muchos defectos de interfaz, el voltaje de umbral cambia y la pendiente del subumbral se deteriora. Las características de movilidad y frecuencia del circuito integrado también se degradan .
Escalamiento y confiabilidad
La tendencia más importante en el desarrollo de la electrónica industrial es un aumento en el grado de integración de los elementos del microcircuito, basado en una disminución del tamaño ( escala ) del elemento principal: un transistor de efecto de campo.
En este caso, aumentan los campos eléctricos internos, lo que mejora algo el rendimiento del dispositivo a altas frecuencias [5] , pero a la vez genera problemas, ya que aumenta la energía conseguida por los portadores en el canal, y su inyección en el dieléctrico. se vuelve más destructivo.
Los problemas aparecen cuando el dispositivo se usa durante mucho tiempo. Especialmente desfavorable (más peligroso que la fuga del túnel) es la entrada de portadores calientes en la zona permitida del dieléctrico, lo que provoca la ruptura y la falla completa del elemento. Pero la degradación gradual a largo plazo del dieléctrico durante la acumulación de defectos puede cambiar radicalmente las características del transistor MOS, incluso provocando un cambio en su voltaje de umbral, lo que conduce a un funcionamiento incorrecto de todo el circuito integrado. La degradación del dispositivo debido a la acumulación de defectos por la inyección de portadores calientes se denomina "degradación de portadores calientes" ( eng. hot carrier degtadation ). A menudo, la degradación precede a la ruptura, hay una característica especial de confiabilidad: una carga, la transferencia de la cual a través de un dieléctrico provoca la ruptura ( ing. charge-to-breakdown , C/cm 2 ).
Inyección de portadores calientes en otros dispositivos
En detectores
La inyección de portadores calientes se produce en detectores semiconductores de partículas y cuantos de luz. El impacto de protones o electrones (incluso en el espacio) es esencialmente su inyección en la estructura, y la energía puede alcanzar decenas y cientos de eV. También se pueden crear portadores calientes en el propio detector mediante la absorción de rayos X y rayos gamma , seguidos de transferencia a otras áreas del instrumento.
En elementos de memoria flash
La inyección de medios calientes es el núcleo de los elementos de la memoria flash no volátil ( EEPROM ).
Estas celdas utilizan el principio de inyección de portadores calientes introduciéndolas deliberadamente a través de la capa de óxido para cargar la puerta flotante . La presencia de carga cambia el voltaje de umbral del MOSFET para representar el estado lógico "0". Una puerta flotante descargada representa un estado lógico de "1". Cuando se borra una celda de memoria flash no volátil, la carga almacenada se elimina mediante túneles Fowler-Nordheim .
El daño al dieléctrico durante la inyección es uno de los factores que limitan el número posible de ciclos de escritura y borrado en tales elementos.
En células de película delgada
En microelectrónica, se utilizan triodos de película delgada sobre electrones calientes basados en las estructuras "metal-dieléctrico-metal-dieléctrico-metal" o "metal-semiconductor-metal-semiconductor-metal" [6] .
Véase también
Enlaces
- Artículo sobre portadores calientes. Copia archivada . Fecha de acceso: 8 de diciembre de 2014. Archivado desde el original el 13 de febrero de 2014.
- Simposio internacional de física de confiabilidad de IEEE : la principal conferencia científica y técnica sobre la confiabilidad de los semiconductores, incluido el fenómeno de la inyección de portadores calientes (consultado: 8 de diciembre de 2014)
Notas
- ↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging , IEEE Spectrum . Archivado el 26 de enero de 2019 en Wayback Machine , mayo de 2011 (consultado el 8 de diciembre de 2014).
- ↑ Conwell, EM, High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, Nueva York, 1967).
- ↑ Efecto de electrones calientes en superconductores y sus aplicaciones para sensores de radiación // LLE Review: diario. — vol. 87 . — Pág. 134 . Archivado desde el original el 20 de marzo de 2012. ( PDF ) (Consultado el 8 de diciembre de 2014)
- ↑ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, BA; Norris, DJ; Aidil, ES; Zhu, X.-Y. Transferencia de electrones calientes de nanocristales semiconductores (inglés) // Ciencia: revista. - 2010. - Vol. 328 . - Pág. 1543 . -doi : 10.1126 / ciencia.1185509 . - .
- ↑ Richard C. Dorf (ed) Manual de ingeniería eléctrica , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 página 578
- ↑ Kolesov L. N. Introducción a la ingeniería microelectrónica. - M., radio soviética, 1974. - p. 123-125