उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण (हॉट-कैरियर इंजेक्शन)

गर्म वाहक अंतः क्षेपण (एचसीआई) 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। गर्म 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। गर्म वाहक अंतः क्षेपण उन तंत्रों में से एक है जो ठोस-अवस्था उपकरणों के अर्धचालकों की विश्वसनीयता पर प्रतिकूल प्रभाव डालता है। [1]

भौतिकी
"गर्म वाहक अंतः क्षेपण" शब्द आमतौर पर 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 आमतौर पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) से बना होता है।

"गर्म" 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। गर्म इलेक्ट्रॉन शब्द उस प्रभावी तापमान शब्द से आता है जिसका उपयोग वाहक घनत्व (यानी, फर्मी-डिराक फ़ंक्शन के साथ) मॉडलिंग करते समय किया जाता है और अर्धचालक के थोक तापमान को संदर्भित नहीं करता है (जो शारीरिक रूप से ठंडा हो सकता है, हालांकि यह गर्म है, गर्म इलेक्ट्रॉनों की आबादी जितनी अधिक होगी, उसमें बाकी सभी समान होंगे)।

"गर्म इलेक्ट्रॉन" शब्द मूल रूप से अर्धचालकों में गैर-संतुलित इलेक्ट्रॉनों (या छेद) का वर्णन करने के लिए पेश किया गया था। 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। एक इलेक्ट्रॉन छेद के साथ पुनर्संयोजन करने या सामग्री के माध्यम से एक संग्राहक तक ले जाने के बजाय, गर्म इलेक्ट्रॉन अर्धचालक सामग्री से बाहर निकल सकते हैं। परिणामी प्रभावों में वृद्धि हुई क्षरण धारा और कोषस्थीकरण परावैद्युत सामग्री को संभावित नुकसान शामिल है यदि गर्म वाहक परावैद्युत की परमाणु संरचना को बाधित करता है।

गर्म 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 गर्म इलेक्ट्रॉन बन जाता है। ऐसे इलेक्ट्रॉनों की विशेषता उच्च प्रभावी तापमान होती है। उच्च प्रभावी तापमान के कारण, गर्म इलेक्ट्रॉन बहुत गतिशील होते हैं, और अर्धचालक को छोड़कर अन्य आसपास की सामग्रियों में यात्रा करने की संभावना होती है।

कुछ अर्धचालक उपकरणों में, गर्म इलेक्ट्रॉन फोनन  द्वारा नष्ट की गई ऊर्जा एक अक्षमता का प्रतिनिधित्व करती है क्योंकि ऊर्जा गर्मी 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 कोशिकाओं में, गर्म इलेक्ट्रॉन प्रभाव के कारण प्रकाश ऊर्जा का एक हिस्सा बिजली में परिवर्तित होने के बजाय गर्मी में खो जाता है। पतित अर्धचालकों या धातुओं में भी कम तापमान पर सामान्य रूप से गर्म इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। गर्म-इलेक्ट्रॉन प्रभाव का वर्णन करने के लिए कई मॉडल हैं। सबसे सरल एक स्वच्छ त्रि-आयामी मुक्त-इलेक्ट्रॉन मॉडल के आधार पर एक इलेक्ट्रॉन-फोनन (ई-पी) परस्परक्रिया की पूर्वानुमान करता है। गर्म 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, गर्म 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, गर्म इलेक्ट्रॉन चैनल क्षेत्र या अपवाहिका से कूद सकते हैं और गेट या अधःस्तर में प्रवेश कर सकते हैं। ये गर्म इलेक्ट्रॉन चैनल के माध्यम से प्रवाहित धारा की मात्रा में योगदान नहीं करते हैं और इसके बजाय एक क्षरण धारा होता है।

मोसेफे़ट में गर्म 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) शामिल 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:


 * 1) 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।
 * 2) 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 शामिल औसत ऊर्जा दोनों मामलों 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।

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।

हालांकि, 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। समाई।

नतीजतन, 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, लेकिन इन उपकरणों के दीर्घकालिक संचालन के लिए एक प्रमुख विश्वसनीयता (अर्धचालक) समस्या भी प्रस्तुत करता है, क्योंकि उच्च क्षेत्र गर्म वाहक अंतः क्षेपण 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 "गर्म वाहक" कहा जाता है। इन गर्म 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 ट्रिगर 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 थ्रेशोल्ड वोल्टेज शिफ्ट जैसे प्रमुख पैरामीटर हैं। गर्म वाहक अंतः क्षेपण के कारण उपकरण के व्यवहार में गिरावट के परिणामस्वरूप क्षति का संचय "गर्म वाहक गिरावट" कहलाता है।

ऐसे MOS उपकरण पर आधारित परिपथ और इंटीग्रेटेड 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। HCI 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 फाउंड्री या IC निर्माता के लिए विपणन और बिक्री के वादों को प्रभावित कर सकती है।

विकिरण प्रभाव से संबंध
हॉट कैरियर डिग्रेडेशन मूल रूप से रेडिएशन हार्डनिंग के समान ही है # रेडिएशन हार्डनिंग के रूप में जाना जाने वाला फंडामेंटल मैकेनिज्म # अर्धचालक को परिणामी नुकसान, जैसा कि सौर प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, एक्स-रे और गामा रे एक्सपोजर के कारण अंतरिक्ष प्रणालियों में अनुभव होता है।

HCI और NOR फ्लैश मेमोरी सेल
एचसीआई कई गैर-वाष्पशील स्मृति प्रौद्योगिकियों जैसे ईपीरोम कोशिकाओं 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।

NOR फ्लैश मेमोरी फ्लोटिंग गेट को चार्ज करने के लिए जानबूझकर गेट ऑक्साइड में कैरियर्स को अन्तःक्षेप करके गर्म वाहक अंतः क्षेपण के सिद्धांत का फायदा उठाती है। यह चार्ज एमओएस ट्रांजिस्टर थ्रेशोल्ड वोल्टेज को बूलियन-वैल्यूड फंक्शन | लॉजिक '0' स्थिति का प्रतिनिधित्व करने के लिए बदल देता है। एक अपरिवर्तित फ़्लोटिंग गेट '1' स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है। NOR फ्लैश मेमोरी सेल को मिटाने से फाउलर-नॉर्डहाइम टनलिंग की प्रक्रिया के माध्यम से संग्रहीत चार्ज को हटा दिया जाता है।

सामान्य NOR फ्लैश ऑपरेशन के कारण ऑक्साइड को होने वाली क्षति के कारण, HCI 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 गैर-वाष्पशील मेमोरी लॉजिक मार्जिन विंडो के बंद होने के परिणामस्वरूप HCI क्षति होती है। लिखने-मिटाने के चक्रों की संख्या जिस पर '1' और '0' को अलग नहीं किया जा सकता है, एक गैर-वाष्पशील 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
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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 HCI and other reliability phenomena