Ny indsigt i fangede elektroner kan forbedre flashhukommelsen

En helt ny model af måden, hvorpå elektroner kortvarigt fanges og frigives i bittesmå elektroniske enheder, tyder på, at en længe accepteret, branchens opfattelse er simpelthen forkert om den måde, hvorpå disse fangede elektroner påvirker adfærden af ​​hardwarekomponenter, såsom flashhukommelsesceller.

Modellen, udtænkt af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), blev testet for at forklare, hvordan elektronfangst og -emission skaber den lumske støj, der i stigende grad truer ydeevnen, efterhånden som elektroniske enheder fortsat krymper i størrelse.

Disse effekter, anderledes kendt som burst noise, popcornstøj eller tilfældig telegrafstøj (RTN) "er blevet et stort problem for ekstremt små enheder, "sagde NIST -forskeren Kin Cheung, hovedforfatteren af ​​en ny rapport i IEEE -transaktioner om elektroniske enheder.

Opladning er en af ​​de kendte årsager til flashhukommelsesfejl. Den nye model, som NIST-fysikeren John Kramar kaldte "et stort paradigmeskift inden for modellering af ladningssikring, "kan føre til en anden tilgang til at håndtere dette problem, og potentielt, en ny måde at gøre hukommelsescellerne mindre på.

RTN -støj består af pludselige tilfældige fald i spænding eller strøm forårsaget af omrejsende elektroner, der kortvarigt fanges fra, og derefter tilslutte sig igen, hovedstrømmen langs en strømkanal i, for eksempel, en almindelig type transistor kaldet en MOSFET.

"Effekten var for det meste ubetydelig tilbage i de gode gamle dage, hvor enheder var større, og der var masser af elektroner, der flød rundt, "Sagde Cheung. Men i dagens avancerede enheder, med funktionsdimensioner i området 10 nanometer (nm, milliarder af en meter) eller mindre, det aktive område er så lille, at det kan oversvømmes af en enkelt fanget ladning.

"Når du kommer ned til de allermindste størrelser, RTN kan være næsten 100 procent så stærk som det signal, du forsøger at måle, "Sagde Cheung." Under disse forhold, pålidelighed forsvinder. "

I tilfælde af RTN, det grundlæggende er kendt:Støjen er forårsaget af elektronernes virkning i nærheden af ​​grænsefladen mellem to materialer, såsom et isolatorlag og størstedelen af ​​halvlederen i en transistor. Specifikt, en elektron trækkes ud af strømmen og fanges i en defekt i isolatoren; efter kort tid, den udsendes tilbage i hovedstrømmen i halvlederen. Hvad sker der egentlig på atomskalaen på hvert trin i processen, imidlertid, er ufuldstændigt forstået.

Den ortodokse tilgang til at redegøre for disse virkninger er at behandle alle de indespærrede elektroner som et enkelt 2-D ladeark, der strækker sig ensartet over midten af ​​isolatoren. Hver udsendt elektron menes at vende tilbage til halvlederen i modsat retning af den samme proces, som den blev fanget, forårsager meget lille ændring i den formodentlig stabile tilstand langs isolator/halvledergrænsen.

Den model, når det anvendes på meget små enheder, gav ikke mening for NIST -forskerne. Blandt andre vanskeligheder, det ignorerede det faktum, at når de er immobiliseret, elektroner forårsager betydelige forvrængninger i lokale elektriske feltforhold langs grænsen, påvirker strømmen. "Vi siger, at den traditionelle måde ikke rigtig virker, "Sagde Cheung." Du skal gentænke denne ting. Den gamle model gør ikke rimelige antagelser om, hvordan ladningsbærere opfører sig. "

Forskerne foreslog en ny model, baseret på lokale effekter, hvor fangst- og emissionsmekanismerne er dramatisk forskellige fra standardbilledet. For én ting, de fastslog, at kvantemekanik, den moderne teori, der beskriver disse systems adfærd, gør det enormt usandsynligt, hvis ikke umuligt, for elektroner at komme ud af isolatoren på samme måde som de kom ind.

"Det er som en motorvej, hvor der er en frakørselsrampe, men der er ingen på rampe, "siger NIST-medforfatter Jason Campbell." Du kan gå ind, men du kan ikke komme tilbage på den måde. Du er nødt til at vende tilbage på en anden måde. Det er, der er et sæt regler for indfangning, der ikke gælder for emission. "

"Når du indser, at fangst- og emissionsprocesserne er afkoblet, "Sagde Cheung, "du har hurtigt et helt andet syn på problemet."

Standard -RTN -billedet forudsætter en svag interaktion mellem fanget ladning og dets lokale omgivelser ― i dette tilfælde, den stærkt adskilte elektriske ladning i siliciumdioxid, der ofte udgør isolatorlaget i en transistor. NIST -forskere fandt ud af, at en svag interaktion ikke er i overensstemmelse med kendt fysik og ikke er i overensstemmelse med rapporter fra to uafhængige laboratorier. Ja, interaktionsenergien for en fanget elektron kan være mere end 10 gange større end tidligere antaget. Anerkendelse af denne stærkere interaktionsenergi gør det muligt for det nye lokale feltbillede at forklare RTN naturligt.

Succesen med den nye model, og den deraf følgende drastiske ændring i forståelsen af ​​både indfangning og emission, antydede, at mange længe bevarede ideer skulle genovervejes grundigt.

"Det var meget skræmmende, meget foruroligende konklusion, "Sagde Campbell." Jeg mener, det er ting, der rives i lærebogen. "

Forskerne håber, at den nye model vil hjælpe chipingeniører og designere med at forstå langt mere detaljeret, hvordan enheder nedbrydes, og hvad der skal til for at komme til den næste fase af miniaturisering, samtidig med at man bevarer pålideligheden og reducerer støj.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.