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La tendenza principale nello sviluppo di componenti hardware per apparecchiature elettroniche digitali e analogiche è ridurre le dimensioni delle regioni attive delle strutture a diodi e transistor. Ciò può essere ottenuto migliorando le caratteristiche prestazionali dei dispositivi di micro e nanoelettronica (aumentando la loro velocità e memoria, aumentare le frequenze operative e la potenza, riduzione del rumore, ecc.) mantenendo allo stesso livello i costi di produzione o addirittura riducendoli. Processi simili (con un certo ritardo) avvengono anche nello sviluppo di elementi hardware specializzati progettati per l'uso nei sistemi spaziali.
Le radiazioni ionizzanti nello spazio esterno influiscono negativamente sui dispositivi elettronici, con conseguente riduzione della vita utile e guasti o malfunzionamenti improvvisi. La modellizzazione matematica della risposta di tali elementi agli effetti delle radiazioni ionizzanti dallo spazio riduce la quantità di test, che alla fine riduce il tempo e il costo complessivo dello sviluppo di dispositivi micro e nanoelettronici. Però, modelli numerici analitici e semplici basati sulla sovrapposizione lineare degli effetti della radiazione spesso falliscono nel caso di moderni dispositivi a semiconduttore a microonde con regioni attive submicroniche, dove la dinamica dei processi fisici è complessa e non lineare.
Il movimento dei portatori di carica - elettroni e lacune - in dispositivi a semiconduttore fabbricati secondo standard topologici obsoleti con specifiche per centinaia di nanometri (per confronto, gli standard topologici dei moderni processori sono 10 nm) è un processo a deriva di diffusione, questo è, uno spostamento lento sotto l'azione di un campo elettrico contro la diffusione caotica su varie disomogeneità. In questo caso, il sistema è in uno stato di equilibrio locale, e la sua descrizione è possibile dal punto di vista della fisica statistica classica e della termodinamica.
Anzi, il trasporto di particelle nei dispositivi a semiconduttore submicronico è quasi balistico, cioè il loro movimento è per lo più direzionale, e l'aumento della velocità delle particelle nel campo elettrico è interrotto da una dispersione sparsa. In questo caso, il sistema è in uno stato di profondo non equilibrio e i suoi parametri termodinamici (come la temperatura del plasma lacuna elettronica) rimangono, in senso stretto, indeterminato.
I modelli tradizionali di trasporto di portatori di carica si basano su approssimazioni di deriva di diffusione o quasi-idrodinamica di equilibrio locale formulate più di mezzo secolo fa. Però, quando la dimensione della regione attiva delle moderne strutture a semiconduttore è ridotta alla lunghezza di rilassamento dell'energia e del momento del plasma di lacune di elettroni (20 ... 50 nm per Si e GaAs in condizioni normali) e il tempo di volo attraverso la regione attiva è ridotto alla durata dell'ordine dell'energia e del tempo di rilassamento del momento del plasma con lacune elettroniche (0,1 ... 0,2 ps per Si e GaAs in condizioni normali), la condizione di località è violata, che porta ad un aumento dell'errore nel calcolo delle caratteristiche degli elementi.
L'analisi della risposta delle strutture submicroniche agli effetti delle radiazioni ionizzanti dallo spazio esterno richiede inoltre di tenere conto dell'eterogeneità della ionizzazione e della formazione di difetti, così come la natura stocastica dell'interazione della radiazione e delle particelle con la materia. Di conseguenza, il modello di degradazione graduale delle caratteristiche macroscopiche di un semiconduttore diventa inapplicabile. Perciò, per strutture submicroniche, il modello probabilistico dei guasti improvvisi di radiazione diventa preferibile.
Secondo Alexander Puzanov, Professore Associato presso il Dipartimento UNN di Radiofisica Quantistica ed Elettronica, ricercatori dell'Università Lobachevsky insieme ai loro colleghi dell'Istituto di Fisica delle Microstrutture dell'Accademia Russa delle Scienze hanno proposto un modello di deriva di diffusione in un'approssimazione di non equilibrio locale per analizzare il rilassamento dell'eccitazione in un plasma con lacuna elettronica sotto l'influenza di particelle cariche pesanti provenienti dallo spazio o di radiazioni laser che le imitano.
"È stato dimostrato che il modello di non equilibrio locale ha un campo di applicazione più ampio per descrivere i processi di rilassamento rapido, in particolare, tiene conto accuratamente della velocità balistica dei portatori di carica, che è necessario per calcolare la corrente che scorre nelle strutture a semiconduttore quando sono esposte a particelle cariche pesanti provenienti dallo spazio. Può anche essere utilizzato per determinare la probabilità di guasto e malfunzionamento di dispositivi di micro e nanoelettronica, " nota Alexander Puzanov.
Attualmente, sono in corso lavori per sviluppare il modello di disequilibrio locale del trasporto di vettori nelle seguenti aree:
