En helt ny modell av hur elektroner kortvarigt fångas och frigörs i små elektroniska enheter tyder på att en länge accepterad, Branschövergripande syn är helt enkelt fel om hur dessa fångade elektroner påverkar beteendet hos hårdvarukomponenter som flashminnesceller.

Modellen, utarbetat av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), testades för att förklara hur elektroninsamling och -emission skapar det lömska bullret som alltmer hotar prestanda när elektroniska enheter fortsätter att krympa i storlek.

Dessa effekter, olika känt som burst noise, popcornbrus eller slumpmässigt telegrafbrus (RTN) "har blivit ett stort problem för extremt små enheter, "sade NIST -forskaren Kin Cheung, huvudförfattaren till en ny rapport i IEEE Transactions on Electron Devices.

Laddningsspärr är en av de kända orsakerna till flashminnesfel. Den nya modellen, som NIST-fysikern John Kramar kallade "ett stort paradigmskifte inom laddningsfångande modellering, "kan leda till ett annat tillvägagångssätt för att hantera detta problem, och eventuellt, ett nytt sätt att göra minnescellerna mindre.

RTN -brus består av abrupta slumpmässiga nedgångar i spänning eller ström orsakad av kringgående elektroner som fångas upp kort från, och sedan ansluta igen, huvudflödet längs en strömkanal i, till exempel, en vanlig typ av transistor som kallas en MOSFET.

"Effekten var mestadels försumbar på gamla goda dagar när enheterna var större och det var massor av elektroner som flödade runt, " sa Cheung. Men i dagens avancerade enheter, med funktionsdimensioner i intervallet 10 nanometer (nm, miljarder av en meter) eller mindre, det aktiva området är så litet att det kan överbelastas av en enda instängd laddning.

"När du kommer ner till de allra minsta storlekarna, RTN kan vara nästan 100 procent lika stark som den signal du försöker mäta, "Sa Cheung." Under dessa förhållanden, tillförlitligheten försvinner."

När det gäller RTN, grunderna är kända:Bullret orsakas av elektronernas inverkan nära gränssnittet mellan två material, såsom ett isolatorlager och huvuddelen av halvledaren i en transistor. Specifikt, en elektron dras ut ur strömflödet och fångas i en defekt i isolatorn; efter en kort tid, den avges tillbaka till huvudströmmen i halvledaren. Vad händer egentligen på atomskala vid varje steg i processen, dock, är ofullständigt förstådd.

Det ortodoxa tillvägagångssättet för att ta hänsyn till dessa effekter är att behandla alla fångade elektroner som ett enda 2D-skikt av laddning som sträcker sig likformigt över mitten av isolatorn. Varje emitterad elektron tros återvända till halvledaren i en omvänd process av samma process som den fångades in, orsakar mycket liten förändring i det förmodligen stabila tillståndet längs isolator/halvledargränsen.

Den modellen, när den appliceras på mycket små enheter, var inte meningsfullt för NIST -forskarna. Bland andra svårigheter, det ignorerade det faktum att, när de är immobiliserade, elektroner orsakar betydande snedvridningar i lokala elektriska fältförhållanden längs gränsen, påverkar strömflödet. "Vi säger att det traditionella sättet inte riktigt fungerar, "Sa Cheung." Du måste tänka om det här. Den gamla modellen gör inga rimliga antaganden om hur laddningsbärare beter sig."

Forskarna föreslog en ny modell, baserat på lokala effekter, där mekanismerna för fångst och utsläpp skiljer sig dramatiskt från standardbilden. För en sak, de bestämde att kvantmekanik, den moderna teorin som beskriver beteendet hos dessa system, gör det oerhört osannolikt, om inte omöjligt, för att elektroner ska ta sig ur isolatorn på samma sätt som de kom in.

"Det är som en motorväg där det finns en avfartsramp, men det finns ingen på ramp, "säger NIST-medförfattaren Jason Campbell." Du kan gå in, men du kan inte komma tillbaka på det sättet. Du måste komma tillbaka på ett annat sätt. Det är, det finns en uppsättning regler för fångst som inte gäller utsläpp. "

"När du inser att fångst- och utsläppsprocesserna är frikopplade, "Cheung sa, "du har snabbt en helt annan syn på problemet."

Standard -RTN -bilden förutsätter en svag interaktion av instängd laddning med sin lokala omgivning ― i detta fall, den högseparerade elektriska laddningen i kiseldioxiden som ofta utgör isolatorlagret i en transistor. NIST-forskare fann att en svag interaktion är oförenlig med känd fysik och inte överensstämmer med rapporter från två oberoende laboratorier. Verkligen, interaktionsenergin hos en infångad elektron kan vara mer än 10 gånger större än man tidigare trott. Att känna igen denna starkare interaktionsenergi gör att den nya lokala fältbilden förklarar RTN naturligt.

Framgången för den nya modellen, och den resulterande drastiska förändringen i förståelsen av både fångst och utsläpp, föreslog att många långvariga idéer måste omprövas grundligt.

"Det var väldigt läskigt, mycket oroväckande slutsats, "Campbell sa." Jag menar, det här är riva upp läroboken. "

Forskarna hoppas att den nya modellen kommer att hjälpa chipingenjörer och designers att förstå mycket mer detaljerat hur enheter försämras, och vad som kommer att krävas för att komma till nästa steg av miniatyrisering samtidigt som man behåller tillförlitligheten och minskar buller.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.