Kuuma elektroni injektsioon

Tööpõhimõte

Väljend „kuum elektron“ võeti kasutusele, et iseloomustada pooljuhtides leiduvaid mittetasakaalulisi laengukandjaid. Laiemalt rääkides kirjeldab väljend kõrgema efektiivse temperatuuri juures elektronide jaotust Fermi funktsiooni järgi. Selline kõrgendatud energiaseisund mõjutab laengukandjate liikuvust ja seetõttu ka viisi, kuidas nad läbivad pooljuhti.
Kuumad elektronid võivad auguga rekombineerumise või neeldu liikumise asemel ka pooljuhist välja tunnelleeruda. See võib põhjustada suuremat lekkevoolu ja kui kuum laengukandja rikub pooljuhi atomaarset struktuuri, siis jäädavalt kahjustada ka pooljuhti.
Kuumi elektrone võib tekitada, kui ergastada pooljuhti suure energiaga footoniga või muu elektromagnetkiirgusega. Elektron neelab footoni energia, väljub valentstsoonist ja seega on tekkinud elektron-auk paar. Kui elektron saab nii palju energiat, et ta suudab väljuda valentstsoonist ja jõuda juhtivustsooni, saab elektronist kuum elektron, mis on väga liikuv ja suudab liikuda teistesse ümbritsevatesse materjalidesse.
Mõnedes pooljuhtseadmetes esindab kuuma elektroni foononite poolt hajunud energia raiskamist, kuna see energia läheb soojusena kaduma. Näiteks mõned päikesepaneelid töötavad fotovooluga, kus valgus muudetakse elektriks. Sellistes süsteemides põhjustab kuum elektron valguse muutumist soojuseks, mitte elektriks, põhjustades energiakadu.

Mikrokiibi suuruse vähendamine

Pooljuhtide valmistamise tehnoloogia areng ja nõudlus järjest kiiremate ja keerulisemate mikrokiipide järele on põhjustanud MOSFET transistoride füüsilise suuruse vähenemise. Ei ole veel olnud võimalik proportsionaalselt vähendada mikrokiipide tööpinget kuna kiibid peavad ühilduma eelmiste põlvkondade tehnoloogiatega, peab jälgima nõudeid signaali müratasemele, võimsusele ja viiteaegadele. Samuti pole võimalik vähendada lõpmatuseni lävipinget ja parasiitmahtuvust ning suurendada voolu muutumise kiirust.
Seetõttu suurenevad vähendatud mõõtmetega MOSFET-ides sisemised elektriväljad, millega kaasnevad suurenenud laengukandjate kiirused ja väheneb transistori lülitusaeg. See aga põhjustab pikaajalise töökindluse kao, kuna tugevad elektriväljad põhjustavad kuumade laengukandjate arvu suurenemise. Kuumadel laengukandjatel on piisavalt suur energia ja impulss, et nad suudaksid siseneda ümbritsevatesse paisu- ja siirdpinnaoksiididesse.

Mõju mikrokiipide töökindlusele

Selliste kiirete laengukandjate olemasolu pooljuhtides põhjustab mitmeid füüsilisi kahjustusi, mis võivad pika aja möödudes drastiliselt muuta elektroonilise seadme omadusi. Kuhjuvad kahjustused võivad lõpuks põhjustada kiibi üles ütlemise, kui lävipinge piisavalt palju nende kahjustuste tõttu muutub. Selliseid kahjustusi nimetatakse kuumade laengukandjate põhjustatud kahjustusteks. Kuumade laengukandjate kahjustused on iseloomult samasugune nähtus nagu radiatsioonikiirguse mõju pooljuhtidele, mida võib kogeda kosmosetehnoloogias, kus kahjustusi põhjustavad Päikeselt lähtuvad prootonid, elektronid ning röntgen- ja gammakiirgus.

Kuumade laengukandjate injektsioon ja NOR-välkmälu elemendid

Kuumade laengukandjate injektsioon on füüsikaline nähtus, millel põhineb paljude püsimälude tehnoloogiate nagu näiteks EPROM töö. Kohe, kui tuvastati injektsiooni kahjulik mõju vooluringide töökindlusele, üritati kohe seda vähendada üldist tööefektiivsust kaotamata. NOR välkmälu kasutab kuumade laengukandjate injektsiooni nii, et selle abiga sisestatakse laengukandjad sihilikult läbi paisu oksiidikihi, et laadida ujupaisu. See laeng muudab MOS transistori lävepinget, et saavutada loogiline "0"-seisund. Laadimata ujupais esindab "1"-seisundit. Et laengut ujupaisult kustutada, tuleb kasutada Fowler-Nordheimi tunneliefekti.
Mõjusaim põhjus, miks NOR-välkmälu kirjutamis-lugemistsüklite arv on piiratud, on see, et tavaline NOR välkmäluoperatsioon põhjustab kuumade laengukandjate läbi oksiidikihi liikumise tõttu oksiidikihi kulumist. Ujupaisu võime hoida piisavalt suurt laengut, et tekiks selgelt eristatav loogilise "0" ja "1" pinge vahe, kaob ajapikku kuumade laengukandjate injektsiooni tõttu. Loogilise "0" ja "1" pingete vahe muutub nii väikeseks, et neid ei saa enam eristada ja see määrab püsimälude kestvuse.