Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Современная электроника работает на полупроводниковых материалах. Изготовители могут делать настолько маленькие транзисторы, что становятся важны считаные слои атомов. Транзисторам и диодам нужно работать при постоянном протекании и переключении тока, что ведет к нагреву и постепенной деградации устройств на глубоком уровне — страдают химические связи внутри техники.
Одна из влияющих на долговечность электроники — инжекция горячих носителей. При ней электроны или дырки разными способами накапливают такую энергию, которая может запустить химические изменения внутри транзистора. Точные физические механизмы этого процесса оставались неизвестны.
Группа физиков раскрыла квантовый механизм, с которого начинается деградация из-за горячих носителей. Оказалось, что химические связи разрывают электроны определенной энергии. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.
Ученые пристально рассмотрели, что происходит со связью между кремнием и водородом на границе раздела кремний — оксид внутри транзистора. При производстве электроники водород специально добавляют в материал для «запечатывания» связей кремния, которые по любым причинам не смог закрыть кислород. Если их не закрыть, оборванные связи станут дефектами, меняющими работу электронных элементов.
Постоянное протекание тока через транзистор иногда приводит к тому, что водород отсоединяется, а паразитные связи оказываются обнажены. Раньше ученые считали, что такой разрыв связей — суммарный результат ударов множества электронов.
Физики выяснили, что за этот разрыв на самом деле ответственен единственный электрон. Частица может занять особое, ранее скрытое электронное состояние, ослабить связь кремний — водород и вытолкнуть атом водорода. Энергия этого состояния составила примерно семь электронвольт, что согласуется с экспериментальными данными.
Также ученые обнаружили, что при отсоединении от связи водород начинает подчиняться квантово-механическим законам, а не классическим. Если бы водород вел себя как классическая частица, можно было определить простой критерий разрыва связи, основанный на расстоянии между атомами кремния и водорода. Но водород ведет себя скорее как облако или волновой пакет, и разрыв связи определяется вероятностью того, что волновой пакет водорода выходит за определенное расстояние.
Исследователи узнали, что процесс деградации электроники не зависит от температуры и в 100 раз замедляется, если вместо водорода использовать дейтерий (изотоп водорода с дополнительным нейтроном в ядре). На основе своих открытий физики создали модель, объясняющую все найденные процессы. Они считают, что то, насколько удалось уточнить физику процесса деградации, поможет ученым и производителям проектировать и защищать электронику.