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La tendance principale dans le développement de composants matériels pour les équipements électroniques numériques et analogiques est de réduire la taille des régions actives des structures de diodes et de transistors. Ceci peut être réalisé en améliorant les caractéristiques de performance des dispositifs micro- et nanoélectroniques (en augmentant leur vitesse et leur mémoire, augmentation des fréquences de fonctionnement et de la puissance, réduction de bruit, etc.) tout en maintenant les coûts de production au même niveau voire en les réduisant. Des processus similaires (avec un certain décalage) ont également lieu dans le développement d'éléments matériels spécialisés conçus pour être utilisés dans des systèmes spatiaux.
Le rayonnement ionisant dans l'espace affecte négativement les appareils électroniques, résultant en une durée de vie réduite et des pannes ou dysfonctionnements soudains. La modélisation mathématique de la réponse de ces éléments aux effets des rayonnements ionisants provenant de l'espace réduit la quantité de tests, ce qui réduit à terme le temps et le coût global de développement de dispositifs micro- et nanoélectroniques. Cependant, les modèles numériques analytiques et simples basés sur la superposition linéaire des effets de rayonnement échouent souvent dans le cas des dispositifs semi-conducteurs modernes à micro-ondes avec des régions actives submicroniques, où la dynamique des processus physiques est complexe et non linéaire.
Le mouvement des porteurs de charge - électrons et trous - dans les dispositifs semi-conducteurs fabriqués selon des normes topologiques obsolètes avec des spécifications pour des centaines de nanomètres (à titre de comparaison, les normes topologiques des processeurs modernes sont de 10 nm) est un processus de dérive de diffusion, C'est, un déplacement lent sous l'action d'un champ électrique contre la diffusion chaotique sur diverses inhomogénéités. Dans ce cas, le système est dans un état d'équilibre local, et sa description est possible du point de vue de la physique statistique classique et de la thermodynamique.
Au contraire, le transport des particules dans les dispositifs semi-conducteurs submicroniques est quasi balistique, c'est-à-dire que leur mouvement est principalement directionnel, et l'augmentation de la vitesse des particules dans le champ électrique est interrompue par une diffusion éparse. Dans ce cas, le système est dans un état de déséquilibre profond et ses paramètres thermodynamiques (comme la température du plasma électron-trou) restent, à proprement parler, indéterminé.
Les modèles traditionnels de transport de porteurs de charge sont basés sur des approximations de diffusion-dérive d'équilibre local ou quasi-hydrodynamiques formulées il y a plus d'un demi-siècle. Cependant, lorsque la taille de la région active des structures semi-conductrices modernes est réduite à la longueur de relaxation en énergie et en quantité de mouvement du plasma électron-trou (20 ... 50 nm pour Si et GaAs dans des conditions normales) et le temps de vol à travers la région active est réduit à une durée de l'ordre du temps de relaxation en énergie et en quantité de mouvement du plasma électron-trou (0,1 ... 0,2 ps pour Si et GaAs dans des conditions normales), la condition de localité est violée, ce qui conduit à une augmentation de l'erreur lors du calcul des caractéristiques des éléments.
L'analyse de la réponse des structures submicroniques aux effets des rayonnements ionisants de l'espace extra-atmosphérique nécessite en outre de prendre en compte l'hétérogénéité de l'ionisation et de la formation de défauts, ainsi que la nature stochastique de l'interaction du rayonnement et des particules avec la matière. Par conséquent, le modèle de dégradation progressive des caractéristiques macroscopiques d'un semi-conducteur devient inapplicable. Par conséquent, pour les structures submicroniques, le modèle probabiliste des pannes soudaines d'irradiation devient préférable.
Selon Alexandre Pouzanov, Professeur agrégé au Département de radiophysique et électronique quantiques de l'UNN, des chercheurs de l'Université Lobatchevsky et leurs collègues de l'Institut de physique des microstructures de l'Académie des sciences de Russie ont proposé un modèle de dérive de diffusion dans une approximation locale hors d'équilibre pour analyser la relaxation d'excitation dans un plasma électron-trou sous l'influence de particules lourdes chargées de l'espace ou de rayonnement laser qui les imite.
"Il a été montré que le modèle localement hors d'équilibre a une plus large gamme d'applications pour décrire les processus de relaxation rapide, en particulier, il prend en compte avec précision la vitesse balistique des porteurs de charges, ce qui est nécessaire pour calculer le courant circulant dans les structures semi-conductrices lorsqu'elles sont exposées à de lourdes particules chargées provenant de l'espace. Il peut également être utilisé pour déterminer la probabilité de défaillance et de dysfonctionnement des dispositifs micro- et nanoélectroniques, " note Alexandre Pouzanov.
Actuellement, des travaux sont en cours pour développer le modèle localement hors d'équilibre du transport des porteurs dans les domaines suivants :
