Um modelo inteiramente novo de como os elétrons são brevemente aprisionados e liberados em minúsculos dispositivos eletrônicos sugere que um há muito aceito, A visão de todo o setor está simplesmente errada sobre a maneira como esses elétrons capturados afetam o comportamento de componentes de hardware, como células de memória flash.

O modelo, desenvolvido por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), foi testado para explicar como a captura e a emissão de elétrons criam o ruído insidioso que ameaça cada vez mais o desempenho à medida que os dispositivos eletrônicos diminuem de tamanho.

Esses efeitos, conhecido como ruído de explosão, ruído de pipoca ou ruído de telégrafo aleatório (RTN) "tornaram-se um grande problema para dispositivos extremamente pequenos, "disse o pesquisador do NIST Kin Cheung, o principal autor de um novo relatório em IEEE Transactions on Electron Devices.

A interceptação de carga é uma das causas conhecidas de falha de memória flash. O novo modelo, que o físico do NIST John Kramar chamou de "uma grande mudança de paradigma na modelagem de captura de carga, "poderia levar a uma abordagem diferente para gerenciar este problema, e potencialmente, uma nova maneira de tornar as células de memória menores.

O ruído RTN consiste em quedas aleatórias abruptas de tensão ou corrente causadas por elétrons itinerantes que são brevemente capturados de, e depois junte-se novamente, o fluxo principal ao longo de um canal atual em, por exemplo, um tipo comum de transistor chamado MOSFET.

"O efeito era praticamente insignificante nos velhos tempos, quando os dispositivos eram maiores e havia muitos elétrons circulando, "Cheung disse. Mas nos dispositivos avançados de hoje, com dimensões de recursos na faixa de 10 nanômetros (nm, bilionésimos de metro) ou menos, a área ativa é tão pequena que pode ser inundada por uma única carga aprisionada.

"À medida que você chega aos menores tamanhos, O RTN pode ser quase 100 por cento tão forte quanto o sinal que você está tentando medir, "Cheung disse." Nessas condições, a confiabilidade desaparece. "

No caso de RTN, o básico é conhecido:o ruído é causado pela ação de elétrons perto da interface entre dois materiais, como uma camada isolante e a maior parte do semicondutor em um transistor. Especificamente, um elétron é puxado para fora do fluxo de corrente e preso em um defeito no isolador; depois de um curto tempo, ele é emitido de volta para a corrente principal no semicondutor. O que realmente acontece na escala atômica em cada estágio do processo, Contudo, é compreendido de forma incompleta.

A abordagem ortodoxa para explicar esses efeitos é tratar todos os elétrons aprisionados como uma única folha 2-D de carga que se estende uniformemente pelo centro do isolador. Acredita-se que cada elétron emitido retorne ao semicondutor no sentido inverso do mesmo processo pelo qual foi capturado, causando muito pouca mudança no estado presumivelmente estável ao longo do limite isolador / semicondutor.

Esse modelo, quando aplicado a dispositivos muito pequenos, não fazia sentido para os cientistas do NIST. Entre outras dificuldades, ignorou o fato de que, uma vez que eles estão imobilizados, elétrons causam distorções consideráveis ​​nas condições do campo elétrico local ao longo da fronteira, afetando o fluxo atual. "Estamos dizendo que a forma tradicional realmente não funciona, "Cheung disse." Você tem que repensar essa coisa. O modelo antigo não faz suposições razoáveis ​​sobre como os portadores de carga se comportam. "

Os pesquisadores propuseram um novo modelo, com base nos efeitos locais, em que os mecanismos de captura e emissão são dramaticamente diferentes da imagem padrão. Por uma coisa, eles determinaram que a mecânica quântica, a teoria moderna que descreve o comportamento desses sistemas, torna-o extremamente improvável, se não impossível, para que os elétrons saiam do isolador da mesma forma que entraram.

"É como uma rodovia onde há uma rampa de saída, mas não há rampa, "diz o co-autor do NIST, Jason Campbell." Você pode entrar, mas você não pode voltar dessa forma. Você tem que voltar de uma maneira diferente. Isso é, existe um conjunto de regras de captura que não se aplicam à emissão. "

“Quando você percebe que os processos de captura e emissão estão dissociados, "Cheung disse, "você rapidamente tem uma visão muito diferente do problema."

A imagem RTN padrão supõe uma interação fraca de carga presa com seus arredores locais ― neste caso, a carga elétrica altamente separada no dióxido de silício que freqüentemente constitui a camada isolante de um transistor. Os cientistas do NIST descobriram que uma interação fraca é inconsistente com a física conhecida e não está de acordo com os relatórios de dois laboratórios independentes. De fato, a energia de interação de um elétron capturado pode ser mais de 10 vezes maior do que se acreditava anteriormente. O reconhecimento dessa energia de interação mais forte permite que a nova imagem do campo local explique o RTN naturalmente.

O sucesso do novo modelo, e a mudança drástica resultante na compreensão tanto da captura quanto da emissão, sugeriu que muitas ideias arraigadas teriam de ser totalmente reconsideradas.

"Isso foi muito assustador, conclusão muito perturbadora, "Campbell disse." Quero dizer, isso é coisa do livro didático. "

Os pesquisadores esperam que o novo modelo ajude os engenheiros e designers de chips a entender com muito mais detalhes como os dispositivos se degradam, e o que será necessário para chegar ao próximo estágio de miniaturização, mantendo a confiabilidade e reduzindo o ruído.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.