UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

Capítulo 2
Insulator) son especialmente sensibles a la radiación ionizante a causa de la acumulación de
cargas en el aislante situado por debajo del dispositivo.
Por otra parte, hay que recordar que la radiación ionizante puede crear centros de color en
un dieléctrico por lo que este material se oscurece [Gil00] y disminuiría la eficiencia de la
trasmisión de luz en fibras ópticas, LED’s, fotodiodos, etc.
2.4.1 Generación y captura de cargas en un aislante [ANE00]
Cuando un aislante (p. e. SiO2) es afectado por la radiación ionizante, se generan pares
electrón-hueco (Fig. 2.4a). La movilidad de un electrón en el dióxido de silicio a temperatura
ambiente es 20 cm 2 ·V -1 ·s -1 en tanto que la del hueco depende fuertemente de la temperatura y del
campo aplicado y puede variar entre 10 -4 y 10 -11 cm 2 ·V -1 ·s -1 . Por tanto, en el caso de que un par
electrón hueco no se recombine inmediatamente, el hueco necesitaría un tiempo entre 10 5 y 10 12
veces superior al requerido por el electrón para abandonar el óxido (Fig. 2.4b). Esto explica que
exista un predominio de carga positiva atrapada en el óxido frente a la carga negativa.
Las cargas positivas que no se han recombinado comienzan a desplazarse hacia zonas de
menor tensión (Fig. 2.4c). En el caso de un NMOS, esta zona es el canal y en el PMOS el
terminal de puerta. Se han elaborado varios modelos para estudiar el desplazamiento de cargas y
los que cuentan con mayor aceptación son los modelos de small polaron hopping y CTRW
(Continuous-Time Random Walk). Ambos son complementarios, pues el primero explica el
movimiento de los huecos como el resultado de vibraciones de la red cristalina y el segundo
realiza un modelo estadístico del desplazamiento de una gran cantidad de huecos a través del
óxido.
El movimiento de los huecos es muy lento pero, tarde o temprano, alcanzarán la interfaz
SiO2-Si o Si-Metal. En estas zonas, la concentración de defectos es mucho mayor que en otras
zonas del óxido y éstos pueden atrapar huecos de forma indefinida. Se sabe que la inmensa
mayoría de los huecos quedan confinados en un espesor de pocos nanómetros por encima de la
interfaz. El número de huecos atrapados es proporcional al número de defectos y depende de la
tecnología de fabricación. Las tecnologías tolerantes a la radiación deben disminuir al máximo
este número para aumentar la tolerancia del óxido. P.e., se sabe que algunas tecnologías atrapan
sólo el 1 % de los huecos generados en tanto que otras atrapan prácticamente el 100 %.
Existen dos mecanismos que permiten la eliminación de cargas en el óxido: Recocidos
térmico y por efecto túnel. El primero está basado en el efecto Richardson, que consiste en la
emisión de electrones por parte de un metal o semiconductor a causa de la agitación térmica y
cuyo valor es proporcional al coeficiente T 2 ·exp(-φ/k·T), donde k es la constante de Boltzmann, T
la temperatura absoluta y φ el valor de la barrera de potencial que los electrones deben superar.
En el caso que nos ocupa, el valor de φ es la diferencia entre el nivel de las cargas atrapadas en el
óxido y la banda de valencia, si hay un semiconductor, o el nivel de Fermi, si hay un metal en la
interfaz del óxido. Este tipo de recocido es fácilmente modelado utilizando expresiones tipo
Arrhenius, como las propuestas en (2.1)-(2.2). Mediante la técnica del isocronismo, que estudia
22