Скорость насыщения - Saturation velocity

Скорость насыщения - максимальная скорость носителя заряда в полупроводник, как правило электрон, достигается при очень высоких электрические поля.[1] Когда это происходит, говорят, что полупроводник находится в состоянии насыщение скорости. [2] Носители заряда нормально двигаться в среднем скорость дрейфа пропорционально электрическому напряженность поля они переживают временно. Константа пропорциональности известна как мобильность носителя, являющегося материальной собственностью. Хороший дирижер будет иметь высокое значение подвижности для своего носителя заряда, что означает более высокую скорость и, следовательно, более высокие значения тока для данной напряженности электрического поля. Однако у этого процесса есть предел, и при некотором высоком значении поля носитель заряда не может двигаться быстрее, достигнув своей скорости насыщения, из-за механизмов, которые в конечном итоге ограничивают движение носителей в материале.[3]

Когда приложенное электрическое поле увеличивается от этой точки, скорость носителей больше не увеличивается, потому что носители теряют энергию из-за повышенных уровней взаимодействия с решеткой, испуская фононы и даже фотоны как только энергия носителя станет достаточно большой для этого.[4]

Полевые транзисторы

Скорость насыщения - очень важный параметр при проектировании полупроводниковых устройств, особенно полевые транзисторы, которые являются основными строительными блоками почти всех современных интегральные схемы. Типичные значения скорости насыщения могут сильно различаться для разных материалов, например для Si это порядка 1 × 107 см / с, для GaAs 1.2×107 см / с, а для 6H-SiC, это около 2 × 107 см / с. Типичная напряженность электрического поля, при которой скорость носителей достигает насыщения, обычно составляет порядка 10-100 кВ / см. Как поле насыщения, так и скорость насыщения полупроводникового материала обычно сильно зависят от примесей, кристаллические дефекты и температура.

Маломасштабные устройства

Для устройств чрезвычайно малого размера, где области сильного поля могут быть сопоставимы или меньше среднего длина свободного пробега носителя заряда можно наблюдать превышение скорости, или же горячий электрон эффекты, которые стали более важными, поскольку геометрия транзисторов постоянно уменьшается, что позволяет создавать более быстрые, большие и более плотные интегральные схемы.[5] Режим, в котором два терминала, между которыми движется электрон, намного меньше длины свободного пробега, иногда называют баллистический транспорт. В прошлом предпринимались многочисленные попытки построить транзисторы основанный на этом принципе без особого успеха. Тем не менее, развивающееся направление нанотехнологии, и новые материалы, такие как Углерод нанотрубки и графен, предлагает новую надежду.

Отрицательное дифференциальное сопротивление

Хотя в полупроводнике, таком как Si, скорость насыщения носителя такая же, как пиковая скорость носителя, для некоторых других материалов с более сложными диапазон энергии структур, это не так. В GaAs или же InP например, скорость дрейфа носителей достигает максимума как функция поля, а затем она начинает фактически уменьшаться по мере дальнейшего увеличения приложенного электрического поля. Носители, набравшие достаточно энергии, отправляются в другой зона проводимости что представляет собой более низкую скорость дрейфа и, в конечном итоге, более низкую скорость насыщения в этих материалах. Это приводит к общему снижению тока при более высоком напряжении, пока все электроны не окажутся в «медленной» полосе, и это принцип работы Диод Ганна, который может отображать отрицательное дифференциальное сопротивление. Из-за переноса электронов в другую зону проводимости такие устройства, обычно с одним выводом, называются Перенесенные электронные устройства, или TED.

Соображения по дизайну

При проектировании полупроводниковые приборы, особенно на субмикрометровой шкале, используемой в современных микропроцессоры, насыщение скорости является важной характеристикой конструкции. Насыщение скорости сильно влияет на характеристики передачи напряжения полевой транзистор, которое является основным устройством, используемым в большинстве интегральные схемы. Если полупроводниковое устройство входит в режим насыщения скорости, увеличение напряжения, подаваемого на устройство, не вызовет линейного увеличения тока, как можно было бы ожидать. Закон Ома. Вместо этого ток может увеличиваться лишь на небольшую величину или не увеличиваться вовсе. Этим результатом можно воспользоваться при попытке разработать устройство, которое будет пропускать постоянный ток независимо от приложенного напряжения. ограничитель тока в результате.

Рекомендации

  1. ^ Основы полупроводников: физика и свойства материалов, Питер Ю. Ю, Мануэль Кардона, стр. 227-228, Springer, New York 2005, ISBN  3-540-25470-6
  2. ^ «Насыщенность по скорости». Получено 2006-10-23.
  3. ^ Устройства и схемы на основе GaAs, Майкл Шур, стр. 310-324, Plenum Press, NY 1987, ISBN  0-306-42192-5
  4. ^ «Расширенные проблемы с MOSFET». Получено 2006-10-23.
  5. ^ Высокопольная дырочная скорость и выброс скорости в слоях инверсии кремния, Д. Синицкий, Ф. Ассадераги, К. Ху и Дж. Бокор, Письма об электронных устройствах IEEE, т. 18, нет. 2, февраль 1997 г.