2004年12月8日
研究人员普渡大学为预测硅晶体管新设计的可靠性建立了“统一模型”——这是一种潜在的工具，业界可以利用它每年节省数千万美元的测试成本。
该模型是第一种可以同时评估两种晶体管可靠性的方法，这两种晶体管对于所谓的CMOS计算机芯片至关重要，这是目前使用的最常见的集成电路类型。随着时间的推移，这两种类型的晶体管退化程度不同，该模型能够同时将这两种不同类型的退化程度联系起来。
普渡大学电子与计算机工程教授阿什拉夫·阿拉姆(Ashraf Alam)说:“这是首个能够准确预测这两种晶体管的新设计将如何随着时间推移而退化的单一工具。”
这种降解是围绕着氢和硅以及氢和二氧化硅之间的键进行的。具体来说，这个数学模型使研究人员能够看到这两种晶体管中的氢键随着时间的推移而断裂的速率。断裂的键直接关系到晶体管的长期可靠性。由于两种类型的晶体管的氢键断裂方式不同，因此在新设计的常规测试中需要单独的模型。
“这种测试需要大量的资源，每年给公司造成数百万美元的损失，”Alam说。“如果你能在同一个框架内解释这两种情况，那么你就可以大幅减少描述晶体管性能所需的测量数量。”
关于这种新模型的发现将在12月13日的第50届IEEE国际电子设备会议上发表的一篇研究论文中详细介绍。该会议由美国电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers)在旧金山主办。这篇论文是由阿拉姆和普渡大学工程博士生哈尔顿·库弗洛格鲁共同撰写的。
“可靠性模型的一个主要目标是预测电子元件在生产10年后的工作情况，”Alam说。“为了做到这一点，你首先需要能够非常了解这些设备，这样你就可以推断出它们在未来的可靠性。
“你需要了解设备如何运作的细节，以及各种材料随着时间的推移是如何表现的，这样你才能看到不同的化学键是如何逐渐断裂的，以及集成电路是如何逐渐失去其功能的。欧洲杯足球竞彩对于价值数十亿美元的电子行业来说，这些知识有着巨大的影响。”
硅和氢之间的键对晶体管的正常性能至关重要。
“即使是今天最小的晶体管，也可能有成千上万的硅氢键，”Kufluoglu说。“这些纽带逐渐断裂。一开始没有关系，因为有很多这样的键。但经过一段时间后，当很多晶体管开始断裂时，集成电路中的不同晶体管就开始失去同步。”
互补金属氧化物半导体芯片由PMOS和NMOS晶体管组成，这两种晶体管对CMOS集成电路来说都是必不可少的。计算机内部的集成电路包含相同部分的PMOS(正极)和NMOS(负极)晶体管。
“重要的一点是，这两种晶体管的硅氢键断裂机制是不同的，”Alam说。“这就是为什么在过去的30年里，我们用不同的模型来处理这些过程，因为我们不知道如何在数学上把它们放在一个共同的框架或共同的语言中。”
他说，这篇论文描述了两种晶体管中键断裂的基本机制。
该模型不仅描述了硅氢键断裂的速率，还描述了它们如何“修复”自己。
“如果你有一段时间不使用电脑，比如24小时，逐渐消失的氢会扩散回来，与硅结合，使键再次完整，”阿拉姆说。“研究人员已经知道断裂键恢复完整的速率，但由于PMOS晶体管和NMOS晶体管的这些速率差异很大，没有模型可以同时解释这两种情况。”
他说，PMOS晶体管的键合自我修复的速度要比NMOS晶体管快得多。
Alam说，这种新模型在测试硅基芯片设计的可靠性方面可能特别有用。硅基芯片利用纳米技术制造出比目前集成电路更小、更紧凑的晶体管。
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