Kredit:CC0 Public Domain
Huvudtrenden i utvecklingen av hårdvarukomponenter för digital och analog elektronisk utrustning är att minska storleken på de aktiva regionerna av diod- och transistorstrukturer. Detta kan uppnås genom att förbättra prestandaegenskaperna hos mikro- och nanoelektronikenheter (öka deras hastighet och minne, ökad driftfrekvens och effekt, brusreducering, etc.) samtidigt som produktionskostnaderna hålls på samma nivå eller till och med minskar dem. Liknande processer (med en viss tidsfördröjning) äger också rum i utvecklingen av specialiserade hårdvaruelement utformade för användning i rymdsystem.
Den joniserande strålningen i yttre rymden påverkar elektroniska enheter negativt, vilket resulterar i minskad livslängd och plötsliga fel eller funktionsfel. Matematisk modellering av reaktionen av sådana element på effekterna av joniserande strålning från yttre rymden minskar mängden tester, vilket så småningom minskar tiden och den totala kostnaden för att utveckla mikro- och nanoelektronikenheter. Dock, analytiska och enkla numeriska modeller baserade på linjär överlagring av strålningseffekter misslyckas ofta i fallet med moderna mikrovågshalvledarenheter med submikrona aktiva områden, där dynamiken i fysiska processer är komplex och icke-linjär.
Rörelsen av laddningsbärare – elektroner och hål – i halvledarenheter tillverkade enligt föråldrade topologiska standarder med specifikationer för hundratals nanometer (för jämförelse, de topologiska standarderna för moderna processorer är 10 nm) är en diffusionsdriftprocess, det är, en långsam förskjutning under inverkan av ett elektriskt fält mot kaotisk spridning på olika inhomogeniteter. I detta fall, systemet är i ett lokalt jämviktstillstånd, och dess beskrivning är möjlig ur klassisk statistisk fysik och termodynamik.
Tvärtom, partikeltransport i submikrona halvledarenheter är kvasiballistisk, d.v.s. deras rörelse är mestadels riktad, och ökningen av partiklarnas hastighet i det elektriska fältet avbryts av sparsam spridning. I detta fall, systemet är i ett djupt icke-jämviktstillstånd och dess termodynamiska parametrar (såsom temperaturen på elektronhålsplasman) kvarstår, strängt talat, obestämd.
Traditionella modeller för transport av laddningsbärare är baserade på lokal jämviktsdiffusionsdrift eller kvasihydrodynamiska approximationer formulerade för mer än ett halvt sekel sedan. Dock, när storleken på den aktiva regionen av moderna halvledarstrukturer reduceras till energi- och momentumrelaxationslängden för elektronhålsplasman (20 ... 50 nm för Si och GaAs under normala förhållanden) och flygtiden genom det aktiva området är reducerad till varaktighet i storleksordningen av energi- och momentumrelaxationstiden för elektronhålsplasma (0,1 ... 0,2 ps för Si och GaAs under normala förhållanden), ortens tillstånd kränks, vilket leder till en ökning av felet vid beräkning av elementens egenskaper.
Analys av submikronstrukturernas svar på effekterna av joniserande strålning från yttre rymden kräver dessutom att man tar hänsyn till heterogeniteten av jonisering och defektbildning, såväl som den stokastiska karaktären av interaktionen mellan strålning och partiklar med materia. Som ett resultat, modellen för gradvis nedbrytning av de makroskopiska egenskaperna hos en halvledare blir otillämplig. Därför, för submikronstrukturer, den probabilistiska modellen för plötsliga strålningsfel blir att föredra.
Enligt Alexander Puzanov, Docent vid UNN-avdelningen för kvantradiofysik och elektronik, forskare från Lobachevsky-universitetet tillsammans med sina kollegor från Institute of Physics of Microstructures of the Russian Academy of Sciences har föreslagit en diffusionsdriftmodell i en lokalt icke-jämviktsapproximation för att analysera excitationsrelaxationen i ett elektronhålsplasma under påverkan av tunga laddade partiklar från yttre rymden eller av laserstrålning som imiterar dem.
"Det visades att den lokalt icke-jämviktsmodellen har ett bredare tillämpningsområde för att beskriva snabba avslappningsprocesser, särskilt, den tar noggrant hänsyn till laddningsbärarnas ballistiska hastighet, vilket är nödvändigt för att beräkna strömmen som flyter i halvledarstrukturer när de utsätts för tunga laddade partiklar från yttre rymden. Det kan också användas för att bestämma sannolikheten för fel och felfunktion hos mikro- och nanoelektronikenheter, " konstaterar Alexander Puzanov.
För närvarande, arbete pågår för att utveckla den lokalt icke-jämviktsmodellen för transport av bärare inom följande områden:
