De belangrijkste trend in de ontwikkeling van hardwarecomponenten voor digitale en analoge elektronische apparatuur is het verkleinen van de actieve gebieden van diode- en transistorstructuren. Dit kan worden bereikt door de prestatiekenmerken van micro- en nano-elektronica-apparaten te verbeteren (verhogen van hun snelheid en geheugen, toenemende werkfrequenties en vermogen, ruisonderdrukking, enz.) terwijl de productiekosten op hetzelfde niveau worden gehouden of zelfs worden verlaagd. Soortgelijke processen (met een zekere vertraging) vinden ook plaats bij de ontwikkeling van gespecialiseerde hardware-elementen die zijn ontworpen voor gebruik in ruimtesystemen.

De ioniserende straling in de ruimte heeft een nadelige invloed op elektronische apparaten, resulterend in een kortere levensduur en plotselinge storingen of storingen. Wiskundige modellering van de reactie van dergelijke elementen op de effecten van ioniserende straling uit de ruimte vermindert de hoeveelheid testen, wat uiteindelijk de tijd en de totale kosten van het ontwikkelen van micro- en nano-elektronica vermindert. Echter, analytische en eenvoudige numerieke modellen gebaseerd op lineaire superpositie van stralingseffecten falen vaak in het geval van moderne microgolfhalfgeleiders met submicron-actieve gebieden, waar de dynamiek van fysieke processen complex en niet-lineair is.

De beweging van ladingsdragers - elektronen en gaten - in halfgeleiderapparaten die zijn vervaardigd volgens verouderde topologische normen met specificaties voor honderden nanometers (ter vergelijking, de topologische standaarden van moderne processors zijn 10 nm) is een diffusie-driftproces, dat is, een langzame verplaatsing onder invloed van een elektrisch veld tegen chaotische verstrooiing op verschillende inhomogeniteiten. In dit geval, het systeem is in een lokaal evenwichtstoestand, en de beschrijving ervan is mogelijk vanuit het standpunt van de klassieke statistische fysica en thermodynamica.

Integendeel, deeltjestransport in submicron halfgeleiders is quasiballistisch, d.w.z. hun beweging is meestal gericht, en de toename van de snelheid van deeltjes in het elektrische veld wordt onderbroken door schaarse verstrooiing. In dit geval, het systeem bevindt zich in een diepe niet-evenwichtstoestand en de thermodynamische parameters (zoals de temperatuur van het elektron-gatplasma) blijven, strikt gesproken, onbepaald.

Traditionele modellen van ladingsdragertransport zijn gebaseerd op lokaal evenwicht diffusie-drift of quasi-hydrodynamische benaderingen die meer dan een halve eeuw geleden zijn geformuleerd. Echter, wanneer de grootte van het actieve gebied van moderne halfgeleiderstructuren wordt gereduceerd tot de energie- en impulsrelaxatielengte van het elektron-gatplasma (20 ... 50 nm voor Si en GaAs onder normale omstandigheden) en de vliegtijd door het actieve gebied is gereduceerd tot duur in de orde van grootte van de energie- en impulsrelaxatietijd van elektron-gatplasma (0,1 ... 0,2 ps voor Si en GaAs onder normale omstandigheden), de voorwaarde van de plaats wordt geschonden, wat leidt tot een toename van de fout bij het berekenen van de kenmerken van de elementen.

Analyse van de reactie van submicronstructuren op de effecten van ioniserende straling uit de ruimte vereist bovendien dat rekening wordt gehouden met de heterogeniteit van ionisatie en defectvorming, evenals de stochastische aard van de interactie van straling en deeltjes met materie. Als resultaat, het model van geleidelijke degradatie van de macroscopische eigenschappen van een halfgeleider wordt onbruikbaar. Daarom, voor submicronstructuren, het probabilistische model van plotselinge stralingsstoringen krijgt de voorkeur.

Volgens Alexander Puzanov, Universitair hoofddocent bij de UNN-afdeling Quantum Radiophysics and Electronics, onderzoekers van Lobachevsky University hebben samen met hun collega's van het Institute of Physics of Microstructures van de Russische Academie van Wetenschappen een diffusie-driftmodel voorgesteld in een lokaal niet-evenwichtsbenadering voor het analyseren van de excitatie-relaxatie in een elektron-gatplasma onder invloed van zwaar geladen deeltjes uit de ruimte of van laserstraling die ze imiteert.

"Er werd aangetoond dat het lokaal niet-evenwichtsmodel een breder toepassingsgebied heeft voor het beschrijven van snelle relaxatieprocessen, vooral, het houdt nauwkeurig rekening met de ballistische snelheid van ladingsdragers, die nodig is om de stroom te berekenen die in halfgeleiderstructuren vloeit wanneer ze worden blootgesteld aan zwaar geladen deeltjes uit de ruimte. Het kan ook worden gebruikt om de kans op falen en defecten van micro- en nano-elektronica te bepalen, " merkt Alexander Puzanov op.

Momenteel, er wordt gewerkt aan de ontwikkeling van het lokaal niet-evenwichtsmodel van vervoer per vervoerder op de volgende gebieden:

• formulering van een lokaal niet-evenwicht quasi-hydrodynamisch model;
• berekening van de kenmerken van submillimeter frequentievermenigvuldigers op basis van Schottky-diodes;
• verificatie van het model door simulatieresultaten te vergelijken met experimentele gegevens.