Исследователи из НИУ МИЭТ создали метод точного мониторинга работы микросхем, предназначенных для эксплуатации в экстремальных космических условиях. По их мнению, данное решение поспособствует разработке инновационного класса вакуумных нанотранзисторов, устойчивых к радиоактивному излучению и высоким температурам.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Sensors and Actuators A: Physical. Миниатюризация электронных компонентов современности значительно увеличивает их уязвимость: без должных защитных мер экстремальные температуры, интенсивное излучение или потоки тяжелых частиц могут вывести технику из строя или вызвать случайные сбои в работе систем, объяснили эксперты Национального исследовательского университета «МИЭТ».
По мере уменьшения размеров устройств до менее чем 10 нанометров чувствительность электронных элементов к внешним факторам существенно возрастает, добавили в вузе. Использование таких элементов в космических условиях становится практически невозможным, поскольку даже в наземных системах на подобных масштабах часто наблюдаются программные сбои и повышается вероятность нестабильного функционирования, отметили в НИУ МИЭТ.
«Это связано с высокой восприимчивостью полупроводниковых транзисторов с размером меньше 10 нм к одиночным радиационным воздействиям и смещениям, вызванным космическими лучами: на уровне моря наземный поток нейтронов способен вызывать необратимые структурные повреждения кристаллической решетки. В итоге происходит деградация, которая меняет подвижность носителей заряда и сдвигает рабочие напряжения, что приводит к непредсказуемым ошибкам и нарушает стабильность микросхем», — пояснил руководитель Научно-исследовательской лаборатории «Моделирование и разработка устройств нано-микросистемной техники» НИУ МИЭТ Глеб Демин.
Замена полупроводникового канала, по которому протекает заряд в КМОП-транзисторах, вакуумным промежутком обеспечивает рост скорости работы и повышение надежности: электроны не сталкиваются с кристаллической решеткой, что ускоряет их движение, а поток тока в вакуумном зазоре становится менее уязвим к радиационным и температурным воздействиям, добавил ученый. Для генерации стабильного тока при снижении энергозатрат в таких вакуумных нанотранзисторах вместо одиночного катода с одной точкой эмиссии электронов — острия — можно использовать плотный массив подобных элементов, пояснил Демин.
Тем не менее, наблюдение за функционированием и прогнозирование поведения этого многоострийного катода из-за большого количества элементов в матрице представляет собой сложную задачу. Исследователям НИУ МИЭТ совместно с коллегами из Физико-технического института им. Иоффе РАН удалось разработать эффективный способ контроля работы катода, основанного на массиве кремниевых эмиттеров электронов, в режиме реального времени. Отслеживание «жизненного цикла» как всей матрицы, так и отдельных эмиттеров позволило определить ключевые участки катодной структуры, важные для стабильной работы транзистора с вакуумным зазором.
«Достигнутые результаты откроют возможности для создания нового поколения вакуумных нанотранзисторов и компактных электронных устройств», — отметили в НИУ МИЭТ.