ชา (Tea)

ทีมพัฒนาวิธีการใหม่ในการตรวจจับข้อบกพร่องของทรานซิสเตอร์ที่ละเอียดอ่อน

ระหว่างการทำงานของทรานซิสเตอร์ปกติ ช่องนำไฟฟ้า (ควบคุมโดยเกท) จะก่อตัวระหว่างแหล่งจ่ายและท่อระบาย ปล่อยให้กระแสไหล เครดิต: Sean Kelley/NIST นักวิจัยจาก National Institute of Standards and Technology (NIST) และผู้ทำงานร่วมกันได้คิดค้นและทดสอบวิธีการใหม่ในการตรวจจับและนับข้อบกพร่องในทรานซิสเตอร์ที่มีความไวสูง ซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องกังวลอย่างเร่งด่วนต่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในขณะที่กำลังพัฒนา วัสดุใหม่สำหรับอุปกรณ์ยุคหน้า ข้อบกพร่องเหล่านี้จำกัดประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์และวงจร และอาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ ทรานซิสเตอร์ทั่วไป สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ โดยทั่วไปแล้วจะเป็นสวิตช์ เมื่อเปิดเครื่อง กระแสจะไหลจากด้านหนึ่งของสารกึ่งตัวนำไปยังอีกด้านหนึ่ง การปิดจะหยุดกระแส การกระทำเหล่านั้นจะสร้างไบนารี 1 และ 0 ของข้อมูลดิจิทัลตามลำดับ ประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ขึ้นอยู่กับว่ากระแสที่กำหนดจะไหลได้อย่างน่าเชื่อถือเพียงใด ข้อบกพร่องในวัสดุทรานซิสเตอร์ เช่น บริเวณ “สิ่งเจือปน” ที่ไม่ต้องการหรือพันธะเคมีที่ขาด ขัดขวางและทำให้การไหลไม่เสถียร ข้อบกพร่องเหล่านี้สามารถปรากฏขึ้นทันทีหรือในช่วงระยะเวลาหนึ่งขณะที่อุปกรณ์กำลังทำงาน หลายปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีการมากมายในการจำแนกและลดผลกระทบเหล่านั้น แต่ข้อบกพร่องนั้นยากที่จะระบุได้ เนื่องจากขนาดของทรานซิสเตอร์นั้นเล็กจนแทบจะจินตนาการไม่ได้ และความเร็วในการเปลี่ยนก็สูงมาก สำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแนวโน้มว่าจะได้รับการพัฒนา เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) แทนที่จะเป็นซิลิกอน (Si) เพียงอย่างเดียวสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานสูงและอุณหภูมิสูงแบบใหม่ ไม่มีวิธีที่ง่ายและตรงไปตรงมาในการระบุลักษณะข้อบกพร่องโดยละเอียด อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนที่เคลื่อนจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำอาจพบข้อบกพร่องที่นำไปสู่การรวมตัวกันใหม่กับรู ส่งผลให้สูญเสียกระแสและทำให้ทรานซิสเตอร์ไม่น่าเชื่อถือ สิ่งที่สำคัญที่สุดเหล่านี้เรียกว่าข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซซึ่งมีอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างชั้นซิลิกอนออกไซด์และซิลิกอน เครดิต: Sean Kelley/NIST “วิธีการที่เราพัฒนาขึ้นนั้นใช้ได้กับทั้ง Si และ SiC แบบดั้งเดิม ทำให้เราเป็นครั้งแรกในการระบุไม่เพียงแต่ประเภทของข้อบกพร่อง แต่ยังรวมถึงจำนวนข้อบกพร่องในพื้นที่ที่กำหนดด้วยการวัด DC แบบง่ายๆ” กล่าว James Ashton จาก NIST ซึ่งทำการวิจัยกับเพื่อนร่วมงานที่ NIST และ Pennsylvania State University พวกเขาตีพิมพ์ผลงานเมื่อวันที่ 6 ตุลาคมใน Journal of Applied Physics การวิจัยมุ่งเน้นไปที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวพาประจุไฟฟ้าทั้งสองชนิดในทรานซิสเตอร์: อิเล็กตรอนที่มีประจุลบและ “รู” ที่มีประจุบวกซึ่งเป็นช่องว่างที่อิเล็กตรอนหายไปจากโครงสร้างอะตอมในท้องถิ่น ในการนับข้อบกพร่องเหล่านี้ นักวิจัยได้วางทรานซิสเตอร์ไว้ในโหมด “การขยายสัญญาณแบบไบโพลาร์” โดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่แหล่งกำเนิดและเกต สิ่งนี้ทำให้ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนลดลงทั่วทั้งช่อง ในการกำหนดค่านี้ กระแสจากต้นทางไปยังท่อระบายน้ำมีความไวสูงต่อข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซ เครดิต: Sean Kelley/NIST เมื่อทรานซิสเตอร์ทำงานอย่างถูกต้อง กระแสไฟฟ้าเฉพาะจะไหลไปตามเส้นทางที่ต้องการ (หลุมยังสามารถก่อตัวเป็นกระแสได้ งานวิจัยนี้สำรวจกระแสอิเล็กตรอน การจัดเรียงที่พบบ่อยที่สุด) หากกระแสพบข้อบกพร่อง อิเล็กตรอนจะถูกดักจับหรือเคลื่อนย้าย และสามารถรวมเข้ากับรูเพื่อสร้างพื้นที่ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในกระบวนการที่เรียกว่า การรวมตัวใหม่ การรวมตัวกันใหม่แต่ละครั้งจะกำจัดอิเล็กตรอนออกจากกระแส ข้อบกพร่องหลายอย่างทำให้เกิดความสูญเสียในปัจจุบันซึ่งนำไปสู่การทำงานผิดพลาด เป้าหมายคือการกำหนดจุดบกพร่อง ผลกระทบเฉพาะ และจำนวนข้อบกพร่อง นักวิจัยสามารถระบุจำนวนข้อบกพร่องจากกระแสไฟตกได้โดยการตรวจสอบกระแสที่ท่อระบายน้ำในขณะที่เปลี่ยนแรงดันเกต เครดิต: Sean Kelley/NIST “เราต้องการให้ผู้ผลิตมีวิธีระบุและหาปริมาณข้อบกพร่องในขณะที่พวกเขากำลังทดสอบวัสดุใหม่ที่แตกต่างกัน” Jason Ryan ผู้เขียนร่วมของ NIST กล่าว “เราทำอย่างนั้นโดยการสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ของเทคนิคการตรวจจับข้อบกพร่องที่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายแต่ยังไม่ค่อยเข้าใจจนถึงขณะนี้ จากนั้นเราได้ทำการทดลองพิสูจน์หลักการที่ยืนยันแบบจำลองของเรา” ในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์แบบคลาสสิก (ดูรูป) อิเล็กโทรดโลหะที่เรียกว่าเกตจะวางอยู่บนชั้นฉนวนซิลิคอนไดออกไซด์บาง ด้านล่างอินเทอร์เฟซนั้นเป็นส่วนสำคัญของเซมิคอนดักเตอร์ ด้านหนึ่งของเกทเป็นขั้วอินพุต เรียกว่าต้นทาง อีกด้านหนึ่งคือเอาต์พุต (ท่อระบายน้ำ) นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบพลวัตของกระแสไหลโดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า “อคติ” ที่ใช้กับเกต แหล่งจ่าย และท่อระบายน้ำ ซึ่งทั้งหมดนี้ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า ในงานชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยของ NIST และ Penn State ได้มุ่งความสนใจไปที่ภูมิภาคใดภูมิภาคหนึ่งที่โดยทั่วไปแล้วจะมีความหนาเพียง 1 พันล้านเมตรและยาวเพียงหนึ่งล้านเมตรเท่านั้น นั่นคือ ขอบเขตหรือช่องระหว่างชั้นออกไซด์บางๆ กับเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ ร่างกาย. “ชั้นนี้มีความสำคัญอย่างมากเนื่องจากผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าบนโลหะที่อยู่ด้านบนของออกไซด์ของทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เปลี่ยนจำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่ในบริเวณช่องสัญญาณภายใต้ออกไซด์ พื้นที่นี้ควบคุมความต้านทานของอุปกรณ์จากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ “แอชตันกล่าว “ประสิทธิภาพของเลเยอร์นี้ขึ้นอยู่กับจำนวนข้อบกพร่องที่มีอยู่ วิธีการตรวจจับที่เราตรวจสอบก่อนหน้านี้ไม่สามารถระบุจำนวนข้อบกพร่องที่อยู่ในเลเยอร์นี้ได้” วิธีการหนึ่งที่ละเอียดอ่อนในการตรวจจับข้อบกพร่องในช่องนี้เรียกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตรวจพบด้วยไฟฟ้า (EDMR) ซึ่งคล้ายกับหลักการของ MRI ทางการแพทย์ อนุภาคเช่นโปรตอนและอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติควอนตัมที่เรียกว่าสปินซึ่งทำให้พวกมันทำหน้าที่เหมือนแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีขั้วแม่เหล็กสองขั้วตรงข้ามกัน ใน EDMR ทรานซิสเตอร์จะถูกฉายรังสีด้วยไมโครเวฟที่ความถี่สูงกว่าเตาไมโครเวฟประมาณสี่เท่า ผู้ทดลองใช้สนามแม่เหล็กกับอุปกรณ์และค่อยๆ เปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กขณะวัดกระแสไฟขาออก ด้วยการผสมผสานที่ลงตัวของความถี่และความแรงของสนาม อิเล็กตรอนที่จุดบกพร่อง “พลิก”—กลับขั้วของพวกมัน ทำให้บางส่วนสูญเสียพลังงานเพียงพอที่จะรวมเข้ากับรูที่ข้อบกพร่องในช่องลดกระแส กิจกรรมของช่องสัญญาณอาจวัดได้ยาก เนื่องจากมี “สัญญาณรบกวน” ในปริมาณมากจากการรวมตัวกันอีกครั้งในกลุ่มเซมิคอนดักเตอร์ นักวิจัยใช้เทคนิคที่เรียกว่า Bipolar amplification effect (BAE) เพื่อมุ่งเน้นเฉพาะกิจกรรมในช่องสัญญาณ ซึ่งทำได้โดยการจัดเรียงแรงดันไฟฟ้าอคติที่ใช้กับแหล่งกำเนิด ประตู และท่อระบายน้ำในรูปแบบเฉพาะ (ดูรูป) “ดังนั้น เนื่องจากความเอนเอียงที่เราใช้ใน BAE และเนื่องจากเราวัดระดับปัจจุบันที่ท่อระบายน้ำ” แอชตันกล่าว “เราสามารถขจัดสัญญาณรบกวนจากสิ่งอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์ เราสามารถเลือกเฉพาะข้อบกพร่องที่เราสนใจภายในช่องสัญญาณ .” ไม่ทราบกลไกที่แน่นอนของการทำงานของ BAE จนกว่าทีมจะพัฒนาแบบจำลอง “ผลการวัดเพียงอย่างเดียวคือคุณภาพ นั่นคือพวกเขาสามารถบอกชนิดของข้อบกพร่องในช่องได้ แต่ไม่ใช่จำนวน” ผู้ร่วมเขียน Patrick Lenahan ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมศาสตร์และกลศาสตร์แห่ง Penn State กล่าว ก่อนหน้าแบบจำลองของ BAE โครงร่างถูกใช้เป็นแหล่งข้อมูลสำหรับการใช้แรงดันไฟฟ้าและกระแสควบคุมสำหรับการวัด EDMR อย่างเคร่งครัด ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการระบุข้อบกพร่องในเชิงคุณภาพมากขึ้น รุ่นใหม่นี้ช่วยให้ BAE เป็นเครื่องมือในการวัดจำนวนข้อบกพร่องในเชิงปริมาณ และใช้กระแสและแรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว พารามิเตอร์ที่สำคัญคือความหนาแน่นของข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซ ซึ่งเป็นตัวเลขที่อธิบายจำนวนข้อบกพร่องภายในพื้นที่บางส่วนของส่วนต่อประสานเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์ แบบจำลอง BAE ให้คำอธิบายทางคณิตศาสตร์แก่นักวิจัยว่ากระแส BAE เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของข้อบกพร่องอย่างไร แบบจำลองนี้ซึ่งนักวิจัยได้ทดสอบในชุดการทดลองพิสูจน์แนวคิดเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์เซมิคอนดักเตอร์ของโลหะออกไซด์ ทำให้การวัดเชิงปริมาณเป็นไปได้ “ตอนนี้เราสามารถอธิบายความผันแปรในการกระจายตัวของผู้ให้บริการขนส่งทั่วทั้งภูมิภาคช่องทาง” แอชตันกล่าว “นี่เป็นการเปิดโอกาสในสิ่งที่สามารถวัดได้ด้วยการวัดทางไฟฟ้าอย่างง่าย” “เทคนิคนี้สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่ไม่ซ้ำกันเกี่ยวกับการมีอยู่ของข้อบกพร่องของทรานซิสเตอร์ที่ไม่เสถียรเหล่านี้และเส้นทางสู่ความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกของการก่อตัว” Markus Kuhn ซึ่งเคยทำงานที่ Intel และปัจจุบันเป็นผู้อำนวยการอาวุโสด้านมาตรวิทยาเซมิคอนดักเตอร์และเพื่อนที่ Rigaku ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับ วิจัย. “ด้วยความรู้ดังกล่าว จะมีโอกาสมากขึ้นในการควบคุมและลดพวกมันเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของทรานซิสเตอร์ นี่จะเป็นโอกาสในการปรับปรุงการออกแบบวงจรชิปและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ให้ดียิ่งขึ้นไปอีกซึ่งนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น” ข้อมูลเพิ่มเติม: James P. Ashton, Stephen J. Moxim, Ashton D. Purcell, Patrick M. Lenahan และ Jason T. Ryan แบบจำลองเชิงปริมาณสำหรับเอฟเฟกต์การขยายสัญญาณแบบไบโพลาร์: วิธีการใหม่ในการกำหนดความหนาแน่นสถานะส่วนต่อประสานของสารกึ่งตัวนำ/ออกไซด์ วารสารฟิสิกส์ประยุกต์. เผยแพร่ออนไลน์ 6 ตุลาคม 2564 DOI: 10.1063/5.0064397 เรื่องนี้เผยแพร่ซ้ำโดยได้รับความอนุเคราะห์จาก NIST อ่านเรื่องราวต้นฉบับที่นี่ การอ้างอิง: ทีมพัฒนาวิธีการใหม่ในการตรวจจับข้อบกพร่องของทรานซิสเตอร์ที่ละเอียดอ่อน (2021, 7 ตุลาคม) ดึงข้อมูลเมื่อ 7 ตุลาคม พ.ศ. 2564 จาก https://phys.org/news/2021-10-team-sensitive-transistor-defects.html เอกสารนี้อยู่ภายใต้ ลิขสิทธิ์. นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

  • บ้าน
  • Beverage & Drink
  • กาแฟ (Coffee)
  • ชา (Tea)
  • น้ำ (Water)
  • น้ำนม (Milk)
  • น้ำผลไม้ (Juices)
  • ม็อกเทล (Mocktails)
  • Back to top button