В экстремальных условиях, например в открытом космосе или в ядерных реакторах, одна-единственная частица радиации может попасть в электронный чип и вызвать внезапный мощный скачок напряжения, который приведет к его необратимому повреждению
Исследователи из Университета штата Северная Каролина наконец-то составили пошаговую физическую модель того, как происходит разрушение материала.
В частности, команда ученых решила фундаментальную проблему, лежащую в основе однократного выгорания (single-event burnout, SEB). Это явление, при котором радиационное воздействие приводит к катастрофическому отказу электронных устройств, находящихся под высоким напряжением.
Все началось с того, что команда решила проверить возможности нитрида алюминия (AIN), сверхширокозонного полупроводника, способного выдерживать огромные энергетические нагрузки. Чтобы провести корректное сравнение с распространенными материалами, такими как кремний, ученые сосредоточились не на напряжении, а на электрическом поле, которое материал может выдержать до разрушения.
Нитрид алюминия почти на порядок превосходит стандартные полупроводники, доказывая, что он может выдерживать гораздо более экстремальные электрические нагрузки.
«Раньше мы знали, что происходит SEB, и могли проверить способность устройства противостоять SEB», — сказал Кристиан Киньонес, автор исследования и недавний выпускник докторантуры Университета штата Северная Каролина. «Но теперь мы знаем почему».
Согласно исследованию, барьер Шоттки из нитрида алюминия и p-n-диоды могут выдерживать воздействие электрических полей, почти в десять раз более сильных, чем в обычных полупроводниках, прежде чем произойдет выгорание. Как и у других полупроводниковых материалов, порог выгорания у них снижается по мере увеличения линейной передачи энергии ионами.
Объединив экспериментальные данные с результатами компьютерного моделирования, команда создала аналитическую модель, которая отображает микроскопический хаос внутри облучаемого чипа.
Когда тяжелый ион проходит через полупроводник под высоким напряжением, он оставляет за собой след из положительных и отрицательных носителей заряда. Под действием приложенного напряжения эти противоположные заряды отталкиваются друг от друга, создавая высоко локализованный всплеск электрического поля.
Как только этот всплеск достигает критического порога, он вызывает мощную лавину электронов, которая высвобождает огромное количество энергии на крошечной площади, физически разрушая устройство.
Исследователи проверили свою новую модель на основе существующих данных о выгорании различных полупроводниковых материалов, и математическая модель показала себя с лучшей стороны.
Результаты исследования могут открыть путь к созданию нового поколения оборудования, способного выдержать условия глубокого космоса, ядерных реакторов и термоядерных экспериментов.
Источник: russianelectronics.ru