उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण (हॉट-कैरियर इंजेक्शन)
उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण (एचसीआई) [[ ठोस अवस्था (इलेक्ट्रॉनिक्स) ]] | ठोस अवस्था इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में एक परिघटना है जहां एक इलेक्ट्रॉन या "इलेक्ट्रॉन छेद" अंतरापृष्ठ स्थिति को तोड़ने के लिए आवश्यक संभावित बाधा को दूर करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है। उष्ण शब्द प्रभावी तापमान को संदर्भित करता है जिसका उपयोग मॉडल वाहक घनत्व के लिए किया जाता है, न कि उपकरण के समग्र तापमान के लिए। चूंकि चार्ज वाहक मोस्फ़ेट के गेट परावैद्युत में फंस सकते हैं, ट्रांजिस्टर की स्विचिंग विशेषताओं को स्थायी रूप से बदला जा सकता है। उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण उन तंत्रों में से एक है जो ठोस-अवस्था उपकरणों के अर्धचालकों की विश्वसनीयता पर प्रतिकूल प्रभाव डालता है।[1]
भौतिकी
"उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण" शब्द सामान्यत: मोस्फ़ेट में प्रभाव को संदर्भित करता है, जहां एक वाहक को सिलिकॉन अधःस्तर में गेट परावैद्युत में चालक चैनल से अंतःक्षिप्त किया जाता है, जो सामान्यत: सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) से बना होता है।
"उष्ण" बनने के लिए और SiO2 के चालन बैंड में प्रवेश करें, एक इलेक्ट्रॉन को ~3.2 eV की गतिज ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए। छिद्रों के लिए, इस मामले में संयोजी बंध ऑफ़सेट तय करता है कि उनके पास 4.6 eV की गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। उष्ण इलेक्ट्रॉन शब्द उस प्रभावी तापमान शब्द से आता है जिसका उपयोग वाहक घनत्व (अर्थात, फर्मी-डिराक फ़ंक्शन के साथ) मॉडलिंग करते समय किया जाता है और अर्धचालक के थोक तापमान को संदर्भित नहीं करता (जो शारीरिक रूप से ठंडा हो सकता है, चूंकि यह उष्ण है, उष्ण इलेक्ट्रॉनों की आबादी जितनी अधिक होगी, उसमें बाकी सभी समान होंगे) है।
"उष्ण इलेक्ट्रॉन" शब्द मूल रूप से अर्धचालकों में गैर-संतुलित इलेक्ट्रॉनों (या छेद) का वर्णन करने के लिए पेश किया गया था।[2] अधिक मोटे तौर पर, शब्द इलेक्ट्रॉन वितरण का वर्णन करता है जिसे फर्मी फलन द्वारा वर्णन किया जा सकता है, लेकिन एक उच्च प्रभावी तापमान के साथ। यह अधिक ऊर्जा आवेश वाहकों की गतिशीलता को प्रभावित करती है और परिणामस्वरूप यह प्रभावित करती है कि वे एक अर्धचालक उपकरण के माध्यम से कैसे यात्रा करते हैं।[3] एक इलेक्ट्रॉन छेद के साथ पुनर्संयोजन करने या सामग्री के माध्यम से एक संग्राहक तक ले जाने के अतिरिक्त, उष्ण इलेक्ट्रॉन अर्धचालक सामग्री से बाहर निकल सकते हैं। परिणामी प्रभावों में वृद्धि हुई क्षरण धारा और कोषस्थीकरण परावैद्युत सामग्री को संभावित नुकसान सम्मलित है यदि उष्ण वाहक परावैद्युत की परमाणु संरचना को बाधित करता है।
उष्ण इलेक्ट्रॉनों का निर्माण तब किया जा सकता है जब विद्युत चुम्बकीय विकिरण (जैसे प्रकाश) का एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन एक अर्धचालक से टकराता है। फोटॉन से ऊर्जा को एक इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित किया जा सकता है, इलेक्ट्रॉन को संयोजकता बैंड से बाहर निकाला जा सकता है, और एक इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी बना सकता है। यदि इलेक्ट्रॉन संयोजकता बैंड को छोड़ने और चालन बैंड को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करता है, तो यह एक उष्ण इलेक्ट्रॉन बन जाता है। ऐसे इलेक्ट्रॉनों की विशेषता उच्च प्रभावी तापमान होती है। उच्च प्रभावी तापमान के कारण, उष्ण इलेक्ट्रॉन बहुत गतिशील होते हैं, और अर्धचालक को छोड़कर अन्य आसपास की सामग्रियों में यात्रा करने की संभावना होती है।
कुछ अर्धचालक उपकरणों में, उष्ण इलेक्ट्रॉन फोनन द्वारा नष्ट की गई ऊर्जा एक अक्षमता का प्रतिनिधित्व करती है क्योंकि ऊर्जा उष्णी के रूप में खो देती है। उदाहरण के लिए, कुछ सौर सेल प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए अर्धचालक के प्रकाशवोल्टीय गुणों पर निर्भर करते हैं। ऐसी सेल में, उष्ण इलेक्ट्रॉन प्रभाव के कारण प्रकाश ऊर्जा का एक हिस्सा बिजली में परिवर्तित होने के अतिरिक्त उष्णी में खो जाता है।[4] पतित अर्धचालकों या धातुओं में भी कम तापमान पर सामान्य रूप से उष्ण इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं।[5] उष्ण-इलेक्ट्रॉन प्रभाव का वर्णन करने के लिए कई मॉडल हैं।[6] सबसे सरल एक स्वच्छ त्रि-आयामी मुक्त-इलेक्ट्रॉन मॉडल के आधार पर एक इलेक्ट्रॉन-फोनन (ई-पी) परस्परक्रिया की पूर्वानुमान करता है।[7][8] उष्ण इलेक्ट्रॉन प्रभाव मॉडल बिजली की खपत, इलेक्ट्रॉन गैस तापमान और अति ताप के बीच एक संबंध का वर्णन करते हैं।
ट्रांजिस्टर पर प्रभाव
मोसेफे़ट में, उष्ण इलेक्ट्रॉनों में गेट करंट के रूप में या अधःस्तर क्षरण धारा के रूप में दिखाने के लिए पतले गेट ऑक्साइड के माध्यम से सुरंग बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। मोसेफे़ट में, जब एक गेट सकारात्मक होता है, और स्विच चालू होता है, तो उपकरण को इस इरादे से अभिकल्पित किया जाता है कि इलेक्ट्रॉन प्रवाहकीय चैनल के माध्यम से स्रोत से अपवाहिका तक प्रवाहित होंगे। उदाहरण के लिए, उष्ण इलेक्ट्रॉन चैनल क्षेत्र या अपवाहिका से कूद सकते हैं और गेट या अधःस्तर में प्रवेश कर सकते हैं। ये उष्ण इलेक्ट्रॉन चैनल के माध्यम से प्रवाहित धारा की मात्रा में योगदान नहीं करते हैं और इसके अतिरिक्त एक क्षरण धारा होता है।
मोसेफे़ट में उष्ण इलेक्ट्रॉन प्रभाव को ठीक करने या क्षतिपूर्ति करने के प्रयासों में गेट टर्मिनल पर रिवर्स बायस में एक डायोड का पता लगाना या उपकरण के अन्य जोड़-तोड़ (जैसे हल्के डोप किए गए नालियां या डबल-डोप्ड नालियां) सम्मलित हो सकते हैं।
जब इलेक्ट्रॉनों को चैनल में त्वरित किया जाता है, तो वे औसत मुक्त पथ के साथ ऊर्जा प्राप्त करते हैं। यह ऊर्जा दो अलग-अलग तरीकों से खो जाती है:
- वाहक अधःस्तर में एक परमाणु को क्षोभज करता है। फिर टकराव एक ठंडा वाहक और एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी बनाता है। एनएमओएस ट्रांजिस्टर के मामले में, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को चैनल द्वारा एकत्र किया जाता है और अतिरिक्त छिद्रों को अधःस्तर द्वारा खाली कर दिया जाता है।
- वाहक Si-H बंधन को क्षोभज करता है और बंधन तोड़ता है। एक अंतरापृष्ठ स्थिति बनाई जाती है और हाइड्रोजन परमाणु को अधःस्तर में छोड़ दिया जाता है।
किसी परमाणु या Si-H बांड के क्षोभज होने की संभावना यादृच्छिक होती है, और प्रत्येक प्रक्रिया में सम्मलित औसत ऊर्जा दोनों स्थितियों में समान होती है।
यही कारण है कि एचसीआई तनाव के दौरान अधःस्तर करंट की निगरानी की जाती है। एक उच्च अधःस्तर करंट का अर्थ है बड़ी संख्या में निर्मित इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े और इस प्रकार एक कुशल Si-H बॉन्ड टूटना तंत्र है।
जब अंतरापृष्ठ अवस्था बनाए जाते हैं, तो प्रभाव सीमा वोल्टेज को संशोधित किया जाता है और उपस्थति ढाल को नीचा दिखाया जाता है। यह कम धारा की ओर जाता है, और एकीकृत परिपथ की प्रचालन आवृत्ति को कम करता है।
प्रवर्धन
अर्धचालक निर्माण तकनीकों में प्रगति और तेजी से और अधिक जटिल एकीकृत परिपथ (आईसी) की बढ़ती मांग ने धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) को छोटे आयामों के पैमाने पर संचालित किया है।
चूंकि, पिछली पीढ़ी के सर्किट, रव उपांत, बिजली और देरी की आवश्यकताओं, और देहली वोल्टता, अवदेहली ढलान और परजीवी के गैर-स्केलिंग जैसे कारकों के कारण इन आईसी को संचालित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले आपूर्ति वोल्टेज को मापना संभव नहीं है।
परिणाम स्वरुप, आक्रामक रूप से बढ़े हुए मोसेफे़ट में आंतरिक विद्युत क्षेत्र बढ़ जाते हैं, जो वाहक वेग (वेग संतृप्ति तक) में वृद्धि के अतिरिक्त लाभ के साथ आता है, और इसलिए स्विचिंग गति में वृद्धि होती है,[9] लेकिन इन उपकरणों के दीर्घकालिक संचालन के लिए एक प्रमुख विश्वसनीयता (अर्धचालक) समस्या भी प्रस्तुत करता है, क्योंकि उच्च क्षेत्र उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण को प्रेरित करते हैं जो उपकरण की विश्वसनीयता को प्रभावित करता है।
मोसेफे़ट में बड़े विद्युत क्षेत्र उच्च-ऊर्जा वाहकों की उपस्थिति का संकेत देते हैं, जिन्हें "उष्ण वाहक" कहा जाता है। इन उष्ण वाहकों में पर्याप्त उच्च ऊर्जा और संवेग होते हैं जो उन्हें अर्धचालक से आसपास की ढांकता हुआ फिल्मों जैसे कि गेट और साइडवॉल ऑक्साइड के साथ-साथ विद्युत्रोधी (SOI) SOI मोसेफे़ट पर सिलिकॉन के मामले में अंतर्हित ऑक्साइड में अन्तःक्षेप करने की अनुमति देते हैं।
विश्वसनीयता प्रभाव
ऑक्साइड में ऐसे मोबाइल वाहक की उपस्थिति कई भौतिक क्षति प्रक्रियाओं को प्रगर्तक करती है जो लंबे समय तक उपकरण की विशेषताओं को काफी हद तक बदल सकती है। क्षति का संचय अंततः परिपथ को विफल कर सकता है क्योंकि इस तरह की क्षति के कारण देहली वोल्टता परिवृत्ति जैसे प्रमुख मापदंडों हैं। उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण के कारण उपकरण के व्यवहार में क्षरण के परिणामस्वरूप क्षति का संचय "उष्ण वाहक क्षरण" कहलाता है।
ऐसे MOS उपकरण पर आधारित परिपथ और एकीकृत परिपथ का उपयोगी जीवनकाल इस प्रकार MOS उपकरण के जीवनकाल से ही प्रभावित होता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि न्यूनतम ज्यामिति उपकरणों के साथ निर्मित एकीकृत परिपथों का उपयोगी जीवन खराब नहीं होगा, घटक एमओएस उपकरणों के जीवन काल में उनके एचसीआई अवक्रमण को अच्छी तरह से समझा जाना चाहिए। एचसीआई जीवन-समय के प्रभावों को सटीक रूप से चिह्नित करने में विफलता अंततः वारंटी और समर्थन लागत जैसी व्यावसायिक लागतों को प्रभावित कर सकती है और संधानशाला या IC निर्माता के लिए विपणन और बिक्री के वादों को प्रभावित कर सकती है।
विकिरण प्रभाव से संबंध
सौर प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, एक्स-रे और गामा किरण जोखिम के कारण अंतरिक्ष प्रणालियों में अनुभव के रूप में उष्ण वाहक क्षरण मूल रूप से आयनीकरण विकिरण प्रभाव के रूप में जाना जाता है, जो अर्धचालकों के परिणामी नुकसान के रूप में जाना जाता है।
एचसीआई और एनओआर स्फुर स्मृति सेल
एचसीआई कई अनह्रासी स्मृति प्रौद्योगिकियों जैसे ईपीरोम सेल के संचालन का आधार है। जैसे ही परिपथ की विश्वसनीयता पर एचसी अंतः क्षेपण के संभावित हानिकारक प्रभाव को पहचाना गया, परिपथ के प्रदर्शन से समझौता किए बिना इसे कम करने के लिए कई निर्माण रणनीतियां तैयार की गईं है।
एनओआर स्फुर स्मृति फ्लोटिंग गेट को चार्ज करने के लिए जानबूझकर गेट ऑक्साइड में कैरियर्स को अन्तःक्षेप करके उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण के सिद्धांत का फायदा उठाती है। यह चार्ज एक तर्क '0' स्थिति का प्रतिनिधित्व करने के लिए एमओएस ट्रांजिस्टर देहली वोल्टता को बदल देता है। एक अपरिवर्तित प्लावी गेट '1' स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है। एनओआर स्फुर स्मृति सेल को मिटाने से फाउलर-नॉर्डहाइम टनलिंग की प्रक्रिया के माध्यम से संग्रहीत चार्ज को हटा दिया जाता है।
सामान्य एनओआर फ्लैश ऑपरेशन के कारण ऑक्साइड से होने वाली क्षति के कारण, एचसीआई क्षति उन कारकों में से एक है जो लिखने-मिटाने के चक्रों की संख्या को सीमित करने का कारण बनती है। क्योंकि चार्ज रखने की क्षमता और ऑक्साइड में क्षति वाहक जाल के गठन से विशिष्ट '1' और '0' आवेश अवस्थाओं की क्षमता प्रभावित होती है, समय के साथ अनह्रासी स्मृति लॉजिक मार्जिन विंडो के बंद होने के परिणामस्वरूप एचसीआई क्षति होती है। लिखने-मिटाने के चक्रों की संख्या जिस पर '1' और '0' को अलग नहीं किया जा सकता है, एक अनह्रासी स्मृति के धीरज को परिभाषित करता है।
यह भी देखें
- समय-निर्भर गेट ऑक्साइड ब्रेकडाउन (टाइम-डिपेंडेंट परावैद्युत ब्रेकडाउन, TDDB)
- इलेक्ट्रोमाइग्रेशन (ईएम)
- नकारात्मक पूर्वाग्रह तापमान अस्थिरता (NBTI)
- तनाव प्रवास
- जाली बिखरना
संदर्भ
- ↑ Keane, John; Kim, Chris H (25 Apr 2011). "Transistor Aging". IEEE Spectrum. Retrieved 21 Jun 2020.
- ↑ Conwell, E. M., High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
- ↑ "सुपरकंडक्टर्स में हॉट-इलेक्ट्रॉन प्रभाव और विकिरण सेंसर के लिए इसके अनुप्रयोग" (PDF). LLE Review. 87: 134.
- ↑ Tisdale, W. A.; Williams, K. J.; Timp, B. A.; Norris, D. J.; Aydil, E. S.; Zhu, X.- Y. (2010). "सेमीकंडक्टर नैनोक्रिस्टल से हॉट-इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर". Science. 328 (5985): 1543–7. Bibcode:2010Sci...328.1543T. doi:10.1126/science.1185509. PMID 20558714. S2CID 35169618.
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- ↑ Falferi, P; Mezzena, R; Mück, M; Vinante, A (2008). "DC SQUIDs में हॉट-इलेक्ट्रॉन प्रभाव को सीमित करने के लिए कूलिंग फिन्स" (free download). Journal of Physics: Conference Series. 97 (1): 012092. Bibcode:2008JPhCS..97a2092F. doi:10.1088/1742-6596/97/1/012092.
- ↑ Wellstood, F.; Urbina, C.; Clarke, John (1994). "धातुओं में गर्म-इलेक्ट्रॉन प्रभाव". Physical Review B. 49 (9): 5942–5955. Bibcode:1994PhRvB..49.5942W. doi:10.1103/PhysRevB.49.5942. PMID 10011570.
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- ↑ Richard C. Dorf (ed) The Electrical Engineering Handbook, CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 page 578
बाहरी संबंध
- An article about hot carriers at www.siliconfareast.com
- IEEE International Reliability Physics Symposium, the primary academic and technical conference for semiconductor reliability involving एचसीआई and other reliability phenomena
