Un modello completamente nuovo del modo in cui gli elettroni vengono brevemente intrappolati e rilasciati in minuscoli dispositivi elettronici suggerisce che un la visione a livello di settore è semplicemente sbagliata sul modo in cui questi elettroni catturati influenzano il comportamento dei componenti hardware come le celle di memoria flash.

Il modello, ideato da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), è stato testato per spiegare come la cattura e l'emissione di elettroni creino il rumore insidioso che minaccia sempre più le prestazioni mentre i dispositivi elettronici continuano a ridursi di dimensioni.

Quegli effetti, variamente noto come rumore di scoppio, il rumore dei popcorn o il rumore del telegrafo casuale (RTN) "sono diventati un grosso problema per i dispositivi estremamente piccoli, ", ha affermato il ricercatore del NIST Kin Cheung, l'autore principale di un nuovo rapporto in IEEE Transactions on Electron Devices.

L'intrappolamento della carica è una delle cause note di guasto della memoria flash. Il nuovo modello, che il fisico del NIST John Kramar ha definito "un importante cambiamento di paradigma nella modellazione dell'intrappolamento della carica, " potrebbe portare a un approccio diverso per gestire questo problema, e potenzialmente, un nuovo modo di ridurre le celle di memoria.

Il rumore RTN consiste in improvvise cadute casuali di tensione o corrente causate da elettroni itineranti che vengono brevemente catturati da, e poi ricongiungersi, il flusso principale lungo un canale di corrente in, Per esempio, un tipo comune di transistor chiamato MOSFET.

"L'effetto era per lo più trascurabile ai bei vecchi tempi, quando i dispositivi erano più grandi e c'erano molti elettroni che scorrevano intorno, " disse Cheung. Ma nei dispositivi avanzati di oggi, con dimensioni delle caratteristiche nell'intervallo di 10 nanometri (nm, miliardesimi di metro) o meno, l'area attiva è così piccola che può essere inondata da una singola carica intrappolata.

"Quando si arriva alle taglie più piccole, RTN può essere quasi al 100% più forte del segnale che stai cercando di misurare, " Disse Cheung. "In quelle condizioni, l'affidabilità scompare."

Nel caso di RTN, le basi sono note:il rumore è causato dall'azione degli elettroni vicino all'interfaccia tra due materiali come uno strato isolante e la massa del semiconduttore in un transistor. Nello specifico, un elettrone viene estratto dal flusso di corrente e intrappolato in un difetto nell'isolante; dopo un breve periodo di tempo, viene emesso nuovamente nella corrente principale nel semiconduttore. Cosa succede effettivamente su scala atomica in ogni fase del processo, però, è compreso in modo incompleto.

L'approccio ortodosso per tenere conto di questi effetti consiste nel trattare tutti gli elettroni intrappolati come un singolo foglio di carica 2-D che si estende uniformemente attraverso il centro dell'isolante. Si pensa che ogni elettrone emesso ritorni al semiconduttore in modo inverso rispetto allo stesso processo con cui è stato catturato, causando pochissimi cambiamenti nello stato presumibilmente stabile lungo il confine isolante/semiconduttore.

Quel modello, quando applicato a dispositivi molto piccoli, non aveva senso per gli scienziati del NIST. Tra le altre difficoltà, ignorava il fatto che, una volta immobilizzati, gli elettroni causano notevoli distorsioni nelle condizioni del campo elettrico locale lungo il confine, influenzare il flusso di corrente. "Stiamo dicendo che il modo tradizionale non funziona davvero, " Cheung ha detto. "Devi ripensare a questa cosa. Il vecchio modello non fa ipotesi ragionevoli su come si comportano i portatori di carica".

I ricercatori hanno proposto un nuovo modello, sulla base di effetti locali, in cui i meccanismi di cattura ed emissione sono drammaticamente diversi dal quadro standard. Per una cosa, hanno determinato che la meccanica quantistica, la moderna teoria che descrive il comportamento di questi sistemi, lo rende estremamente improbabile, se non impossibile, affinché gli elettroni escano dall'isolatore nello stesso modo in cui sono entrati.

"È come un'autostrada dove c'è una rampa di uscita, ma non c'è su rampa, " dice il coautore del NIST Jason Campbell. "Puoi entrare, ma non puoi tornare così. Devi tornare in un modo diverso. Questo è, c'è una serie di regole per la cattura che non si applicano all'emissione."

"Quando ti rendi conto che i processi di cattura ed emissione sono disaccoppiati, "Cheung ha detto, "hai subito una visione molto diversa del problema."

L'immagine RTN standard suppone una debole interazione della carica intrappolata con l'ambiente circostante, in questo caso, la carica elettrica altamente separata nel biossido di silicio che spesso costituisce lo strato isolante in un transistor. Gli scienziati del NIST hanno scoperto che un'interazione debole non è coerente con la fisica nota e non è in accordo con i rapporti di due laboratori indipendenti. Infatti, l'energia di interazione di un elettrone catturato può essere più di 10 volte maggiore di quanto si credesse in precedenza. Il riconoscimento di questa energia di interazione più forte consente alla nuova immagine del campo locale di spiegare RTN in modo naturale.

Il successo del nuovo modello, e il conseguente drastico cambiamento nella comprensione sia della cattura che dell'emissione, suggeriva che molte idee di vecchia data avrebbero dovuto essere completamente riconsiderate.

"È stato molto spaventoso, conclusione molto inquietante, "Campbell ha detto. "Voglio dire, questa è roba da manuale."

I ricercatori sperano che il nuovo modello aiuti gli ingegneri e i progettisti di chip a capire in modo molto più dettagliato come i dispositivi si degradano, e cosa sarà necessario per arrivare alla fase successiva della miniaturizzazione mantenendo l'affidabilità e riducendo il rumore.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.