Een geheel nieuw model van de manier waarop elektronen kort worden gevangen en vrijgelaten in kleine elektronische apparaten, suggereert dat een lang geaccepteerde, de manier waarop deze gevangen elektronen het gedrag van hardwarecomponenten zoals flashgeheugencellen beïnvloeden, klopt gewoon niet.

Het model, bedacht door wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), werd getest om uit te leggen hoe elektronenvangst en -emissie het verraderlijke geluid creëert dat de prestaties steeds meer bedreigt naarmate elektronische apparaten steeds kleiner worden.

Die effecten, ook wel bekend als burst-ruis, popcornruis of willekeurige telegraafruis (RTN) "zijn een groot probleem geworden voor extreem kleine apparaten, " zei NIST-onderzoeker Kin Cheung, de hoofdauteur van een nieuw rapport in IEEE Transactions on Electron Devices.

Charge trapping is een van de bekende oorzaken van een storing in het flashgeheugen. Het nieuwe model, die NIST-natuurkundige John Kramar "een grote paradigmaverschuiving in modellering van ladingsvangst" noemde, " kan leiden tot een andere aanpak om dit probleem aan te pakken, en mogelijk, een nieuwe manier om de geheugencellen kleiner te maken.

RTN-ruis bestaat uit abrupte willekeurige dalingen in spanning of stroom veroorzaakt door rondreizende elektronen die kort worden opgevangen uit, en dan weer meedoen, de hoofdstroom langs een stroomkanaal in, bijvoorbeeld, een veelvoorkomend type transistor, een MOSFET genaamd.

"Het effect was meestal verwaarloosbaar in de goede oude tijd, toen apparaten groter waren en er veel elektronen rondstroomden, " zei Cheung. Maar in de geavanceerde apparaten van vandaag, met kenmerkafmetingen in het bereik van 10 nanometer (nm, miljardsten van een meter) of minder, het actieve gebied is zo klein dat het kan worden overspoeld door een enkele gevangen lading.

"Als je naar de allerkleinste maten gaat, RTN kan bijna 100 procent zo sterk zijn als het signaal dat u probeert te meten, " zei Cheung. "In die omstandigheden, betrouwbaarheid verdwijnt."

In het geval van RTN, de basis is bekend:de ruis wordt veroorzaakt door de werking van elektronen nabij het grensvlak tussen twee materialen, zoals een isolatorlaag en het grootste deel van de halfgeleider in een transistor. specifiek, een elektron wordt uit de stroom getrokken en gevangen in een defect in de isolator; na een korte tijd, het wordt teruggestuurd naar de hoofdstroom in de halfgeleider. Wat er feitelijk op atomaire schaal gebeurt in elke fase van het proces, echter, wordt onvolledig begrepen.

De orthodoxe benadering om rekening te houden met die effecten is om alle gevangen elektronen te behandelen als een enkele 2D-ladinglaag die zich uniform over het midden van de isolator uitstrekt. Van elk uitgezonden elektron wordt gedacht dat het terugkeert naar de halfgeleider in een omgekeerde volgorde van hetzelfde proces waarmee het werd gevangen, veroorzaakt zeer weinig verandering in de vermoedelijk stabiele toestand langs de isolator/halfgeleidergrens.

dat model, wanneer toegepast op zeer kleine apparaten, was niet logisch voor de NIST-wetenschappers. Onder andere moeilijkheden, het negeerde het feit dat, als ze eenmaal geïmmobiliseerd zijn, elektronen aanzienlijke vervormingen veroorzaken in lokale elektrische veldomstandigheden langs de grens, die de stroom beïnvloeden. "We zeggen dat de traditionele manier niet echt werkt, "Zei Cheung. "Je moet dit ding heroverwegen. Het oude model maakt geen redelijke aannames over hoe ladingsdragers zich gedragen."

De onderzoekers stelden een nieuw model voor, op basis van lokale effecten, waarin de mechanismen van afvang en emissie dramatisch verschillen van het standaardbeeld. Voor een ding, ze bepaalden dat de kwantummechanica, de moderne theorie die het gedrag van deze systemen beschrijft, maakt het zeer onwaarschijnlijk, zo niet onmogelijk, zodat elektronen op dezelfde manier uit de isolator kunnen komen als ze erin zijn gekomen.

"Het is als een snelweg waar een afrit is, maar er is geen oprit, " zegt NIST co-auteur Jason Campbell. "Je kunt naar binnen gaan, maar zo kom je niet terug. Je moet op een andere manier terugkomen. Dat is, er is een reeks regels voor afvang die niet van toepassing zijn op emissie."

"Als je je realiseert dat de afvang- en emissieprocessen zijn ontkoppeld, "Cung zei, "je hebt al snel een heel andere kijk op het probleem."

Het standaard RTN-beeld veronderstelt een zwakke interactie van ingesloten lading met zijn lokale omgeving - in dit geval de sterk gescheiden elektrische lading in het siliciumdioxide die vaak de isolatorlaag in een transistor vormt. NIST-wetenschappers ontdekten dat een zwakke interactie niet in overeenstemming is met de bekende fysica en niet in overeenstemming is met rapporten van twee onafhankelijke laboratoria. Inderdaad, de interactie-energie van een gevangen elektron kan meer dan 10 keer groter zijn dan eerder werd aangenomen. Erkenning van deze sterkere interactie-energie stelt het nieuwe lokale veldbeeld in staat om RTN op natuurlijke wijze te verklaren.

Het succes van het nieuwe model, en de resulterende drastische verandering in het begrip van zowel afvang als emissie, suggereerde dat veel lang gekoesterde ideeën grondig zouden moeten worden heroverwogen.

"Dat was een heel eng, zeer verontrustende conclusie, ' zei Campbell. 'Ik bedoel, dit is verscheurende dingen uit het leerboek."

De onderzoekers hopen dat het nieuwe model chipingenieurs en -ontwerpers zal helpen om in veel meer detail te begrijpen hoe apparaten degraderen, en wat er nodig is om de volgende fase van miniaturisatie te bereiken met behoud van betrouwbaarheid en vermindering van ruis.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.