Xu hướng chính trong phát triển các thành phần phần cứng cho thiết bị điện tử kỹ thuật số và tương tự là giảm kích thước vùng hoạt động của cấu trúc diode và bóng bán dẫn. Mục tiêu này đòi hỏi sự cải thiện từ các đặc tính hiệu suất của các thiết bị điện tử vi mô và nano (tăng tốc độ và bộ nhớ, tăng tần số hoạt động và công suất, giảm tiếng ồn, v.v.) trong khi vẫn giữ nguyên chi phí sản xuất hoặc thậm chí giảm chi phí. Các quy trình tương tự (với độ trễ thời gian nhất định) cũng diễn ra trong quá trình phát triển các thành phần phần cứng chuyên dụng được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống không gian.
Bức xạ ion hóa trong không gian vũ trụ ảnh hưởng xấu đến các thiết bị điện tử, dẫn đến tuổi thọ giảm và hỏng hóc hoặc trục trặc đột ngột. Mô hình toán học về phản ứng của các nguyên tố như vậy đối với tác động của bức xạ ion hóa từ không gian vũ trụ làm giảm yêu cầu tiến hành thử nghiệm, từ đó làm giảm thời gian và tổng chi phí phát triển các thiết bị điện tử vi mô và nano. Tuy nhiên, các mô hình số phân tích và đơn giản dựa trên sự chồng chập tuyến tính của các hiệu ứng bức xạ thường không thành công trong trường hợp các thiết bị bán dẫn vi sóng hiện đại có vùng hoạt động dưới micron, nơi động lực của các quá trình vật lý phức tạp và không tuyến tính. Chuyển động của các hạt mang điện tích – electron và lỗ trống trong các thiết bị bán dẫn được sản xuất theo các tiêu chuẩn tôpô lỗi thời với thông số kỹ thuật cho hàng trăm nanomet (để so sánh, các tiêu chuẩn tôpô của bộ xử lý hiện đại là 10 nm) là một quá trình khuếch tán/trôi dạt, tức là sự dịch chuyển chậm dưới tác động của trường điện từ chống lại sự tán xạ hỗn loạn trên các tính không đồng nhất khác nhau. Trong trường hợp này, hệ thống ở trạng thái cân bằng cục bộ và có thể mô tả trạng thái này theo quan điểm của vật lý thống kê cổ điển và nhiệt động lực học.
Ngược lại, quá trình vận chuyển hạt trong các thiết bị bán dẫn dưới micron là ở dạng bán đạn đạo, tức là chuyển động của chúng chủ yếu là theo một hướng và sự gia tăng vận tốc của các hạt trong trường điện từ bị gián đoạn bởi sự tán xạ rời rạc. Trong trường hợp này, hệ thống ở trạng thái không cân bằng và các thông số nhiệt động lực học của nó (như nhiệt độ của plasma tại electron-lỗ trống) vẫn chưa được xác định một cách chính xác. Các mô hình truyền thống về quá trình vận chuyển hạt mang điện tích dựa trên sự khuếch tán-trôi dạt cân bằng cục bộ hoặc dựa theo các phép tính gần đúng thủy động lực học được xây dựng cách đây hơn nửa thế kỷ. Tuy nhiên, khi kích thước của vùng hoạt động của các cấu trúc bán dẫn hiện đại được giảm xuống ở mức độ dài giãn nở năng lượng và động lượng của plasma tại lỗ electron (20 … 50 nm đối với Si và GaAs trong điều kiện bình thường) và thời gian bay qua vùng hoạt động được giảm xuống ở mức độ dài của thời gian giãn nở năng lượng và động lượng của plasma tại electron-lỗ trống (0,1 … 0,2 ps đối với Si và GaAs trong điều kiện bình thường), thì điều kiện cục bộ đó sẽ bị vi phạm, dẫn đến tăng lỗi khi tính toán các đặc điểm của các nguyên tố.
Phân tích phản ứng của các cấu trúc dưới micron đối với tác động của bức xạ ion hóa từ không gian bên ngoài cũng đòi hỏi phải tính đến tính không đồng nhất của quá trình ion hóa và hình thành khuyết tật, cũng như bản chất ngẫu nhiên của tương tác giữa bức xạ và các hạt với vật chất. Do đó, mô hình suy thoái dần dần các đặc điểm vĩ mô của chất bán dẫn trở nên không áp dụng được. Đối với các cấu trúc dưới micron, mô hình xác suất về sự cố bức xạ đột ngột trở nên thích hợp hơn. Theo Alexander Puzanov, Phó giáo sư tại Khoa Vật lý vô tuyến lượng tử và Điện tử của UNN, các nhà nghiên cứu từ Đại học Lobachevsky cùng với các đồng nghiệp của họ từ Viện Vật lý cấu trúc vi mô của Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã đề xuất một mô hình khuếch tán-trôi dạt trong một phép xấp xỉ không cân bằng cục bộ để phân tích sự giãn nở kích thích trong plasma tại electron-lỗ trống dưới ảnh hưởng của các hạt tích điện nặng từ không gian bên ngoài hoặc bức xạ laser mô phỏng chúng.
Người ta đã chứng minh rằng mô hình không cân bằng cục bộ có phạm vi ứng dụng rộng hơn để mô tả các quá trình giãn nhanh, đặc biệt, nó tính đến chính xác vận tốc đạn đạo của các hạt mang điện tích, điều này cần thiết để tính toán dòng điện chạy trong các cấu trúc bán dẫn khi chúng tiếp xúc với các hạt tích điện nặng từ không gian bên ngoài. Nó cũng có thể được sử dụng để xác định khả năng hỏng hóc và trục trặc của các thiết bị điện tử vi mô và nano. Hiện tại, công việc đang được tiến hành để phát triển mô hình không cân bằng cục bộ của quá trình vận chuyển hạt mang điện trong các lĩnh vực sau: xây dựng mô hình bán thủy động lực học không cân bằng cục bộ; tính toán các đặc điểm của bộ nhân tần số dưới milimét dựa trên điốt Schottky; xác minh mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm.
Từ khóa: bức xạ; vi điện tử
– CMD –
