Kuuma elektroni injektsioon

Kuumade elektronide injektsioon (inglise keeles hot carrier injection, hot electron injection) on nähtus tahkiseelektroonikas, kus laengukandja (elektron või auk) saab piisavalt suure kineetilise energia, et triivida voolukanalis ja liikuda  ületada potentsiaalibarjääri. Väljend „kuum“ ei tähenda antud kontekstis mitte seda, et mikrokiip peaks selle nähtuse jaoks soe olema, vaid viitab laengukandjate tiheduse modelleerimiseks kasutatavat efektiivset temperatuuri. Kuna langukandjad võivad jääda paisu MOS transistori dielektrikusse lõksu, siis muudetakse selle efekti läbi jäädavalt transistori omadusi. Kuuma elektroni injektsioon on ka üks mehhanismidest, mis rikub tahkiseelektroonika pooljuhtide omadusi. 

Et elektron muutuks „kuumaks“ ja siseneks pooljuhi juhtivustsooni, peab elektron saavutama ligikaudu 3,2 eV suuruse kineetilise energia. Aukude puhul valentstsooni kompensatsiooni tõttu peab neil olema kineetiline energia 4,6 eV. Väljend „kuum elektron“ tuleneb laengukandjate tiheduse modelleerimisel (näiteks Fermi-Diraci funktsiooni abil) kasutatavast efektiivsest temperatuurist ja ei tähenda seda, et elektroonilise seadme enda füüsiline temperatuur oleks kõrge.  Kuumi elektrone sisaldava kiibi enda temperatuur võib sealjuures olla madal, kuid mainida tasuks, et mida soojem on seade, seda rohkem võib statistiliselt sealt leida kuumi elektrone.

Nähtust kasutatakse välkmälude tehnoloogias.

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.

Mõju transistoridele

MOSFET transistorides on kuumadel elektronidel piisavalt energiat, et tunnelleeruda läbi õhukese oksiidpaisu, et ilmneda juhtpaisu voolus või substraadi lekkevoolus. Kuumad elektronid võivad tulla juhtkanalist või neelust paisu või substraati.

Näiteks MOSFET-i puhul, kui pais on positiivselt pingestatud ja loogiline lüliti on sees, siis elektronid liiguvad vabalt mööda juhtivat kanalit lättest neelu. Need kuumad elektronid ei mõjuta elektrivoolu tugevust nii, nagu nad peavad, ja moodustavad selle asemel lekkevoolu.

Et parandada või kompenseerida kuumade laengukandjate injektsiooni mõju MOSFET’i tööle, võidakse paigutada paisu lähedale vastupingestatud diood või legeerida transistori neelu.

Elektrone läbi juhtkanali kiirendades saavutavad nad mingil määral lisaenergiat, mis hajub kahel viisil:
 Laengukandja tabab substraadi aatomit ja põrge põhjustab külma laengukandja tekke ja lisa elektron-auk paari tekke. nMOS transistorite puhul kogutakse lisaelektronid juhtivkanalisse ja lisaaugud neelab substraat.
 Laengukandja tabab Si-H sidet ja lõhub selle. Vesiniku aatom vabaneb substraati.

Tõenäosus, et laengukandja tabab paigalseisvat aatomit või Si-H sidet, on juhuslik ja nende tabamuste keskmine energia on sama.
Substraadis esinevat voolu uuritakse just nimelt kuumade laengukandjate injektsiooni tõttu. Kõrge vool substraadis tähendab suurt hulka elektron-auk paaride teket.
Kui vool läbib substraati, siis muutub lävepinge ja muutub voolutugevuse muutumise kiirus pinge muutmisel (muutub subthreshold slope). See viib väiksemate vooludeni ja vähendab vooluringi töösagedust.

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.

Viited