Скорость насыщения
Скорость насыщения — это максимальная скорость, которую носитель заряда в полупроводнике , обычно электрон , достигает в присутствии очень сильных электрических полей . [1] Когда это происходит, говорят, что полупроводник находится в состоянии насыщения скорости . [2] Носители заряда обычно движутся со средней скоростью дрейфа, пропорциональной напряженности электрического поля, которое они испытывают во времени. Константа пропорциональности известна как подвижность носителя, которая является свойством материала. Хороший проводник будет иметь высокую подвижность носителя заряда, что означает более высокую скорость и, следовательно, более высокие значения тока для данной напряженности электрического поля. Однако у этого процесса есть предел: при некотором высоком значении поля носитель заряда не может двигаться быстрее, достигнув скорости насыщения, из-за механизмов, которые в конечном итоге ограничивают движение носителей в материале. [3]
Поскольку приложенное электрическое поле увеличивается с этой точки, скорость носителя больше не увеличивается, потому что носители теряют энергию из-за увеличения уровней взаимодействия с решеткой, испуская фононы и даже фотоны , как только энергия носителя становится достаточно большой для этого. [4]
Полевые транзисторы
[ редактировать ]Скорость насыщения — очень важный параметр при проектировании полупроводниковых приборов, особенно полевых транзисторов , которые являются основными строительными блоками почти всех современных интегральных схем . Типичные значения скорости насыщения могут сильно различаться для разных материалов, например, для Si она составляет порядка 1×10. 7 см/с, для GaAs 1,2×10 7 см/с, а для 6H-SiC она составляет около 2×10 7 см/с. Типичная напряженность электрического поля, при которой скорость носителя достигает насыщения, обычно составляет порядка 10–100 кВ/см. И поле насыщения, и скорость насыщения полупроводникового материала обычно сильно зависят от примесей, кристаллических дефектов и температуры.
Малые устройства
[ редактировать ]Для устройств чрезвычайно малого размера, где области сильного поля могут быть сравнимы или меньше средней длины свободного пробега носителя заряда, можно наблюдать выброс скорости или эффекты горячих электронов , которые становятся более важными, поскольку геометрия транзистора постоянно уменьшается до позволяют создавать более быстрые, большие и плотные интегральные схемы. [5] Режим, при котором два терминала, между которыми движется электрон, намного меньше длины свободного пробега, иногда называют баллистическим транспортом . В прошлом предпринимались многочисленные попытки создать транзисторы на основе этого принципа, но без особого успеха. Тем не менее, развивающаяся область нанотехнологий и новые материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен , дают новую надежду.
Отрицательное дифференциальное сопротивление
[ редактировать ]Хотя в полупроводнике, таком как Si, скорость насыщения носителя такая же, как пиковая скорость носителя, для некоторых других материалов с более сложной зонной структурой это не так. Например, в GaAs или InP скорость дрейфа носителей достигает максимума в зависимости от поля, а затем начинает фактически уменьшаться по мере дальнейшего увеличения приложенного электрического поля. Носители, набравшие достаточно энергии, перебрасываются в другую зону проводимости , которая обеспечивает более низкую скорость дрейфа и, в конечном итоге, более низкую скорость насыщения в этих материалах. Это приводит к общему уменьшению тока при более высоком напряжении до тех пор, пока все электроны не окажутся в «медленной» зоне, и это принцип работы диода Ганна , который может отображать отрицательное дифференциальное сопротивление. Из-за переноса электронов в другую зону проводимости такие устройства, обычно с одним терминалом, называются устройствами с перенесенными электронами или TED.
Рекомендации по проектированию
[ редактировать ]При проектировании полупроводниковых устройств , особенно в субмикрометровом масштабе, который используется в современных микропроцессорах , насыщение скорости является важной характеристикой проектирования. Насыщение по скорости сильно влияет на характеристики передачи напряжения полевого транзистора , который является основным устройством, используемым в большинстве интегральных схем . Если полупроводниковый прибор входит в режим насыщения по скорости, увеличение напряжения, приложенного к устройству, не вызовет линейного увеличения тока, как можно было бы ожидать по закону Ома . Вместо этого ток может увеличиться лишь незначительно или не увеличиться вообще. Этим результатом можно воспользоваться при попытке создать устройство, которое будет пропускать постоянный ток независимо от приложенного напряжения, то ограничитель тока есть фактически .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Основы полупроводников: физика и свойства материалов , Питер Ю. Ю, Мануэль Кардона, стр. 227–228, Спрингер, Нью-Йорк, 2005 г., ISBN 3-540-25470-6
- ^ «Насыщение скоростью» . Проверено 23 октября 2006 г.
- ^ GaAs устройства и схемы , Майкл Шур, стр. 310-324, Plenum Press, Нью-Йорк, 1987, ISBN 0-306-42192-5
- ^ «Продвинутые вопросы MOSFET» . Проверено 23 октября 2006 г.
- ^ Скорость дырок в сильном поле и выброс скорости в инверсионных слоях кремния, Д. Синицкий, Ф. Ассадераги, К. Ху и Дж. Бокор, IEEE Electron Device Letters , vol. 18, нет. 2 февраля 1997 г.