Ny model til vurdering af effekten af ​​ioniserende stråling på mikroelektroniske enheder

Hovedtendensen i udviklingen af ​​hardwarekomponenter til digitalt og analogt elektronisk udstyr er at reducere størrelsen af ​​de aktive områder af diode- og transistorstrukturer. Dette kan opnås ved at forbedre ydeevneegenskaberne for mikro- og nanoelektroniske enheder (øge deres hastighed og hukommelse, stigende driftsfrekvenser og effekt, støjreduktion, osv.), mens produktionsomkostningerne holdes på samme niveau eller endda reduceres. Lignende processer (med en vis tidsforsinkelse) finder også sted i udviklingen af ​​specialiserede hardwareelementer designet til brug i rumsystemer.

Den ioniserende stråling i det ydre rum påvirker elektroniske enheder negativt, resulterer i reduceret levetid og pludselige fejl eller funktionsfejl. Matematisk modellering af sådanne elementers reaktion på virkningerne af ioniserende stråling fra det ydre rum reducerer mængden af ​​testning, hvilket i sidste ende reducerer tiden og de samlede omkostninger ved at udvikle mikro- og nanoelektronikenheder. Imidlertid, analytiske og simple numeriske modeller baseret på lineær superposition af strålingseffekter mislykkes ofte i tilfælde af moderne mikrobølgehalvlederenheder med submikron aktive områder, hvor dynamikken i fysiske processer er kompleks og ikke-lineær.

Bevægelsen af ​​ladningsbærere - elektroner og huller - i halvlederenheder fremstillet i henhold til forældede topologiske standarder med specifikationer for hundredvis af nanometer (til sammenligning, de topologiske standarder for moderne processorer er 10 nm) er en diffusionsdriftsproces, det er, en langsom forskydning under påvirkning af et elektrisk felt mod kaotisk spredning på forskellige inhomogeniteter. I dette tilfælde, systemet er i en lokal ligevægtstilstand, og dets beskrivelse er mulig fra et synspunkt af klassisk statistisk fysik og termodynamik.

Tværtimod, partikeltransport i submikron halvlederenheder er kvasiballistisk, dvs. deres bevægelse er for det meste retningsbestemt, og stigningen i partiklernes hastighed i det elektriske felt afbrydes af sparsom spredning. I dette tilfælde, systemet er i en dyb ikke-ligevægtstilstand, og dets termodynamiske parametre (såsom temperaturen af ​​elektronhulsplasmaet) forbliver, strengt taget, ubestemt.

Traditionelle modeller for ladningsbærertransport er baseret på lokal-ligevægtsdiffusionsdrift eller kvasi-hydrodynamiske tilnærmelser formuleret for mere end et halvt århundrede siden. Imidlertid, når størrelsen af ​​det aktive område af moderne halvlederstrukturer reduceres til energi- og momentumrelaksationslængden af ​​elektronhulsplasmaet (20 ... 50 nm for Si og GaAs under normale forhold), og flyvetiden gennem det aktive område er reduceret til varighed af rækkefølgen af ​​energi- og momentumrelaksationstiden for elektronhulsplasma (0,1 ... 0,2 ps for Si og GaAs under normale forhold), lokalitetens tilstand er krænket, hvilket fører til en stigning i fejlen ved beregning af elementernes karakteristika.

Analyse af submikronstrukturernes reaktion på virkningerne af ioniserende stråling fra det ydre rum kræver desuden, at der tages hensyn til heterogeniteten af ​​ionisering og defektdannelse, samt den stokastiske karakter af samspillet mellem stråling og partikler med stof. Som resultat, modellen for gradvis nedbrydning af en halvleders makroskopiske karakteristika bliver uanvendelig. Derfor, til submikron strukturer, den probabilistiske model for pludselige strålingsfejl bliver at foretrække.

Ifølge Alexander Puzanov, Lektor ved UNN Institut for Kvanteradiofysik og Elektronik, forskere fra Lobachevsky University har sammen med deres kolleger fra Institute of Physics of Microstructures ved det russiske videnskabsakademi foreslået en diffusionsdrift-model i en lokalt ikke-ligevægtstilnærmelse til analyse af excitationsrelaksationen i et elektronhulsplasma under påvirkning af tunge ladede partikler fra det ydre rum eller af laserstråling, der efterligner dem.

"Det blev vist, at den lokalt uligevægtsmodel har et bredere anvendelsesområde til at beskrive hurtige afslapningsprocesser, i særdeleshed, det tager nøjagtigt hensyn til ladningsbærernes ballistiske hastighed, hvilket er nødvendigt for at beregne den strøm, der flyder i halvlederstrukturer, når de udsættes for tungt ladede partikler fra det ydre rum. Det kan også bruges til at bestemme sandsynligheden for fejl og funktionsfejl i mikro- og nanoelektronikenheder, " bemærker Alexander Puzanov.

I øjeblikket, der arbejdes på at udvikle den lokalt uligevægtsmodel for transportørtransport på følgende områder:

• formulering af en lokalt ikke-ligevægts kvasi-hydrodynamisk model;
• beregning af karakteristika for submillimeter frekvensmultiplikatorer baseret på Schottky-dioder;
• verifikation af modellen ved at sammenligne simuleringsresultater med eksperimentelle data.