حقن الناقل الساخن

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

يُعدّ حقن حاملات الشحنة الساخنة ( HCI ) ظاهرةً في الأجهزة الإلكترونية الصلبة ، حيث يكتسب الإلكترون أو " الفجوة " طاقةً حركيةً كافيةً للتغلب على حاجز الجهد اللازم لكسر حالة السطح البيني. ويشير مصطلح "الساخن" إلى درجة الحرارة الفعّالة المستخدمة لنمذجة كثافة حاملات الشحنة، وليس إلى درجة الحرارة الكلية للجهاز. ونظرًا لإمكانية انحصار حاملات الشحنة في عازل بوابة ترانزستور MOS ، فقد تتغير خصائص التبديل للترانزستور بشكلٍ دائم. ويُعدّ حقن حاملات الشحنة الساخنة أحد الآليات التي تؤثر سلبًا على موثوقية أشباه الموصلات في الأجهزة الصلبة. [ 1 ]

الفيزياء

يشير مصطلح "حقن الناقل الساخن" عادة إلى التأثير في MOSFETs ، حيث يتم حقن الناقل من القناة الموصلة في ركيزة السيليكون إلى عازل البوابة ، والذي عادة ما يكون مصنوعًا من ثاني أكسيد السيليكون (SiO 2 ).

لكي يصبح الإلكترون "ساخنًا" ويدخل نطاق التوصيل في ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ) ، يجب أن يكتسب طاقة حركية تبلغ حوالي 3.2 إلكترون فولت . أما بالنسبة للفجوات، فإن فرق طاقة نطاق التكافؤ في هذه الحالة يفرض عليها أن تمتلك طاقة حركية تبلغ 4.6 إلكترون فولت. يُشتق مصطلح "الإلكترون الساخن" من مصطلح درجة الحرارة الفعالة المستخدم عند نمذجة كثافة حاملات الشحنة (أي باستخدام دالة فيرمي-ديراك)، ولا يشير إلى درجة حرارة المادة الأساسية لأشباه الموصلات (والتي قد تكون باردة فيزيائيًا، ولكن كلما ارتفعت درجة حرارتها، زاد عدد الإلكترونات الساخنة التي تحتويها مع ثبات العوامل الأخرى).  

استُخدم مصطلح "الإلكترون الساخن" في الأصل لوصف الإلكترونات (أو الفجوات) غير المتوازنة في أشباه الموصلات. [ 2 ] وبشكل أوسع، يصف المصطلح توزيعات الإلكترونات التي يمكن وصفها بدالة فيرمي ، ولكن بدرجة حرارة فعّالة مرتفعة. تؤثر هذه الطاقة العالية على حركة حاملات الشحنة، وبالتالي تؤثر على كيفية انتقالها عبر جهاز أشباه الموصلات. [ 3 ]

يمكن للإلكترونات الساخنة أن تتسرب عبر مادة أشباه الموصلات، بدلاً من إعادة اتحادها مع الفجوات أو انتقالها عبر المادة إلى المجمع. وتشمل الآثار المترتبة على ذلك زيادة تيار التسرب واحتمال تلف المادة العازلة المحيطة إذا أدى الناقل الساخن إلى إتلاف البنية الذرية للعازل.

تتولد الإلكترونات الساخنة عندما يصطدم فوتون عالي الطاقة من الإشعاع الكهرومغناطيسي (كالضوء) بمادة شبه موصلة. تنتقل طاقة الفوتون إلى الإلكترون، مما يؤدي إلى إثارته خارج نطاق التكافؤ، وتكوين زوج إلكترون-فجوة. إذا اكتسب الإلكترون طاقة كافية لمغادرة نطاق التكافؤ وتجاوز نطاق التوصيل، فإنه يصبح إلكترونًا ساخنًا. تتميز هذه الإلكترونات بدرجات حرارة فعالة عالية. وبسبب هذه الحرارة العالية، تتمتع الإلكترونات الساخنة بحركية عالية، ومن المرجح أن تغادر المادة شبه الموصلة وتنتقل إلى المواد المحيطة بها.

في بعض أجهزة أشباه الموصلات، يُمثل تبديد الطاقة بواسطة الإلكترونات الساخنة (الفونونات ) عيبًا، حيث تُفقد الطاقة على شكل حرارة. على سبيل المثال، تعتمد بعض الخلايا الشمسية على الخصائص الكهروضوئية لأشباه الموصلات لتحويل الضوء إلى كهرباء. في هذه الخلايا، يُعد تأثير الإلكترونات الساخنة السبب في فقدان جزء من طاقة الضوء على شكل حرارة بدلًا من تحويله إلى كهرباء. [ 4 ]

تنشأ الإلكترونات الساخنة عمومًا عند درجات حرارة منخفضة حتى في أشباه الموصلات أو المعادن المتدهورة. [ 5 ] توجد عدة نماذج لوصف تأثير الإلكترون الساخن. [ 6 ] أبسطها يتنبأ بتفاعل الإلكترون-الفونون (ep) استنادًا إلى نموذج ثلاثي الأبعاد نظيف للإلكترون الحر. [ 7 ] [ 8 ] توضح نماذج تأثير الإلكترون الساخن وجود علاقة بين الطاقة المبددة ودرجة حرارة غاز الإلكترونات وارتفاع درجة الحرارة.

التأثيرات على الترانزستورات

في ترانزستورات MOSFET ، تمتلك الإلكترونات الساخنة طاقة كافية للنفق عبر طبقة أكسيد البوابة الرقيقة، فتظهر كتيار بوابة أو كتيار تسريب من الركيزة. في ترانزستور MOSFET، عندما تكون البوابة موجبة والمفتاح في وضع التشغيل، يُصمم الجهاز بحيث تتدفق الإلكترونات جانبيًا عبر القناة الموصلة، من المصدر إلى المصرف. قد تقفز الإلكترونات الساخنة من منطقة القناة أو من المصرف، على سبيل المثال، وتدخل البوابة أو الركيزة. لا تُساهم هذه الإلكترونات الساخنة في مقدار التيار المتدفق عبر القناة كما هو مُخطط له، بل تُشكل تيار تسريب.

قد تتضمن محاولات تصحيح أو تعويض تأثير الإلكترون الساخن في MOSFET وضع ثنائي في انحياز عكسي عند طرف البوابة أو عمليات أخرى على الجهاز (مثل المصارف المطعمة بشكل خفيف أو المصارف المطعمة بشكل مزدوج).

عندما تتسارع الإلكترونات في القناة، فإنها تكتسب طاقة على طول المسار الحر المتوسط. وتُفقد هذه الطاقة بطريقتين مختلفتين:

  1. يصطدم حامل الشحنة بذرة في الركيزة. ثم يُولّد هذا التصادم حامل شحنة باردًا وزوجًا إضافيًا من الإلكترون والفجوة. في حالة ترانزستورات nMOS، يتم تجميع الإلكترونات الإضافية بواسطة القناة، بينما يتم تفريغ الفجوات الإضافية بواسطة الركيزة.
  2. يصطدم الناقل برابطة Si-H ويكسرها. تتشكل حالة سطحية ويتحرر ذرة الهيدروجين في الركيزة.

إن احتمالية إصابة الذرة أو رابطة Si-H عشوائية، ومتوسط ​​الطاقة المتضمنة في كل عملية هو نفسه في كلتا الحالتين.

لهذا السبب تتم مراقبة تيار الركيزة أثناء التعرض لإجهاد HCI. يشير ارتفاع تيار الركيزة إلى وجود عدد كبير من أزواج الإلكترون-فجوة المتولدة، وبالتالي آلية فعالة لكسر رابطة Si-H.

عند إنشاء حالات الواجهة، يتم تعديل جهد العتبة ويتدهور ميل ما دون العتبة. يؤدي هذا إلى انخفاض التيار، ويؤدي إلى انخفاض تردد تشغيل الدائرة المتكاملة.

التوسع

أدت التطورات في تقنيات تصنيع أشباه الموصلات والطلب المتزايد باستمرار على الدوائر المتكاملة الأسرع والأكثر تعقيدًا إلى دفع ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET) المرتبط بها إلى التوسع إلى أبعاد أصغر.

ومع ذلك، لم يكن من الممكن خفض جهد الإمداد المستخدم لتشغيل هذه الدوائر المتكاملة بشكل متناسب بسبب عوامل مثل التوافق مع دوائر الجيل السابق، وهامش الضوضاء ، ومتطلبات الطاقة والتأخير، وعدم تغيير جهد العتبة ، وميل ما تحت العتبة ، والسعة الطفيلية .

ونتيجة لذلك، تزداد المجالات الكهربائية الداخلية في MOSFETs المصغرة بشكل كبير، وهو ما يأتي مع فائدة إضافية تتمثل في زيادة سرعات الناقل (حتى تشبع السرعة )، وبالتالي زيادة سرعة التبديل، [ 9 ] ولكنه يمثل أيضًا مشكلة موثوقية رئيسية للتشغيل طويل المدى لهذه الأجهزة، حيث تؤدي المجالات العالية إلى حقن الناقل الساخن مما يؤثر على موثوقية الجهاز.

تشير المجالات الكهربائية الكبيرة في ترانزستورات MOSFET إلى وجود حاملات طاقة عالية، تُعرف باسم " الحاملات الساخنة ". تتمتع هذه الحاملات الساخنة بطاقات وزخم كافيين يسمحان لها بالانتقال من أشباه الموصلات إلى الأغشية العازلة المحيطة، مثل طبقة أكسيد البوابة والجدار الجانبي، بالإضافة إلى طبقة الأكسيد المدفونة في حالة ترانزستورات MOSFET المصنوعة من السيليكون على العازل (SOI) .

تأثير الموثوقية

يؤدي وجود هذه الناقلات المتحركة في الأكاسيد إلى العديد من عمليات التلف المادي التي قد تُغير خصائص الجهاز بشكل جذري على مدى فترات طويلة. وقد يتسبب تراكم التلف في النهاية في تعطل الدائرة، حيث تتأثر بعض المعايير الرئيسية، مثل تغير جهد العتبة، بهذا التلف. ويُطلق على تراكم التلف الذي يؤدي إلى تدهور أداء الجهاز نتيجة حقن الناقلات الساخنة اسم " تدهور الناقلات الساخنة ".

يتأثر العمر الافتراضي للدوائر والدوائر المتكاملة القائمة على أجهزة MOS بعمر جهاز MOS نفسه. ولضمان عدم تأثر العمر الافتراضي للدوائر المتكاملة المصنعة باستخدام أجهزة ذات أبعاد هندسية صغيرة، يجب فهم تدهور أداء أجهزة MOS المكونة لها بشكل دقيق. إن عدم تحديد تأثيرات تدهور الأداء الناتج عن تفاعل الهيدروجين مع التيار المتردد (HCI) بدقة قد يؤثر سلبًا على تكاليف التشغيل، مثل تكاليف الضمان والدعم، ويؤثر على وعود التسويق والمبيعات لشركات تصنيع الرقائق أو الدوائر المتكاملة.

العلاقة بتأثيرات الإشعاع

إن تدهور الناقلات الساخنة هو نفسه بشكل أساسي تأثير الإشعاع المؤين المعروف باسم الضرر الكلي للجرعة لأشباه الموصلات، كما هو الحال في الأنظمة الفضائية بسبب التعرض للبروتونات الشمسية والإلكترونات والأشعة السينية وأشعة جاما .

خلايا ذاكرة فلاش HCI و NOR

يُعدّ حقن التيار المتردد أساسًا لعمل العديد من تقنيات الذاكرة غير المتطايرة ، مثل خلايا EPROM . وبمجرد إدراك التأثير السلبي المحتمل لحقن التيار المتردد على موثوقية الدائرة، تم ابتكار العديد من استراتيجيات التصنيع للحدّ منه دون المساس بأداء الدائرة.

تستغل ذاكرة فلاش NOR مبدأ حقن حاملات الشحنة الساخنة عن طريق حقن حاملات الشحنة عمدًا عبر طبقة أكسيد البوابة لشحن البوابة العائمة . يؤدي هذا الشحن إلى تغيير جهد عتبة ترانزستور MOS لتمثيل حالة منطقية "0" . تمثل البوابة العائمة غير المشحونة حالة "1". يؤدي مسح خلية ذاكرة فلاش NOR إلى إزالة الشحنة المخزنة من خلال عملية نفق فاولر-نوردهايم .

بسبب تلف طبقة الأكسيد الناتج عن التشغيل العادي لذاكرة NOR Flash، يُعد تلف HCI أحد العوامل التي تحد من عدد دورات الكتابة والمسح. ولأن قدرة طبقة الأكسيد على الاحتفاظ بالشحنة وتكوّن مصائد التلف فيها يؤثران على القدرة على التمييز بين حالتي الشحنة '1' و'0'، فإن تلف HCI يؤدي إلى انحسار هامش منطق الذاكرة غير المتطايرة بمرور الوقت. ويُحدد عدد دورات الكتابة والمسح التي يتعذر عندها التمييز بين '1' و'0' مدى تحمل الذاكرة غير المتطايرة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كين، جون؛ كيم، كريس هـ (25 أبريل 2011). "تقادم الترانزستور" . مجلة IEEE Spectrum . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 يونيو 2020 .
  2. ↑ كونويل، إي إم، النقل في المجال العالي في أشباه الموصلات، ملحق فيزياء الحالة الصلبة 9 (أكاديميك برس، نيويورك، 1967).
  3. ↑ "تأثير الإلكترون الساخن في الموصلات الفائقة وتطبيقاته في أجهزة استشعار الإشعاع" (ملف PDF) . مراجعة LLE . 87 : 134.
  4. ↑ تيسديل، دبليو إيه؛ ويليامز، كيه جيه؛ تيمب، بي إيه؛ نوريس، دي جيه؛ أيديل، إي إس؛ تشو، إكس واي (2010). "انتقال الإلكترونات الساخنة من البلورات النانوية لأشباه الموصلات". مجلة ساينس . 328 (5985): 1543-1547 . رمز Bibcode : 2010Sci...328.1543T . doi : 10.1126/science.1185509 . PMID: 20558714. S2CID : 35169618 .  
  5. ↑ روكس، م.؛ فريمان، م.؛ جيرمان، ر.؛ ريتشاردسون، ر.؛ كيتشن، م. (1985). "الإلكترونات الساخنة ونقل الطاقة في المعادن عند درجات حرارة بالملي كلفن" (ملف PDF) . رسائل المراجعة الفيزيائية . 55 (4): 422-425 . رمز Bibcode : 1985PhRvL..55..422R . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.422 . PMID 10032346 . 
  6. ↑ فالفيري، ب؛ ميزينا، ر؛ موك، م؛ فينانتي، أ (2008). "زعانف تبريد للحد من تأثير الإلكترونات الساخنة في أجهزة SQUID ذات التيار المستمر" . مجلة الفيزياء: سلسلة المؤتمرات . 97 (1) 012092. Bibcode : 2008JPhCS..97a2092F . doi : 10.1088/1742-6596/97/1/012092 .
  7. ↑ ويلستود، ف.؛ أوربينا، س.؛ كلارك، جون (1994). "تأثيرات الإلكترونات الساخنة في المعادن". مجلة Physical Review B. 49 ( 9): 5942–5955 . Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W . doi : 10.1103/PhysRevB.49.5942 . PMID 10011570 . 
  8. ↑ كو، إس.-إكس.؛ كليلاند، أ.؛ جيلر، م. (2005). "الإلكترونات الساخنة في أنظمة الفونون منخفضة الأبعاد". مجلة Physical Review B. 72 ( 22) 224301. arXiv : cond-mat/0503379 . Bibcode : 2005PhRvB..72v4301Q . doi : 10.1103/PhysRevB.72.224301 . S2CID 15241519 . 
  9. ↑ ريتشارد سي. دورف (محرر) دليل الهندسة الكهربائية ، مطبعة سي آر سي، 1993، رقم ISBN 0-8493-0185-8الصفحة 578
  • مقال عن شركات الاتصالات الساخنة على الموقع الإلكتروني www.siliconfareast.com
  • ندوة IEEE الدولية لفيزياء الموثوقية ، المؤتمر الأكاديمي والتقني الرئيسي لموثوقية أشباه الموصلات الذي يشمل تفاعل الإنسان مع الحاسوب وظواهر الموثوقية الأخرى