Войти
Скорость насыщения - максимальная скорость, которую носитель заряда в полупроводнике, обычно в электроне, достигает в присутствии очень сильных электрических полей. Когда это происходит, говорят, что полупроводник находится в состоянии насыщения по скорости . Носители заряда обычно движутся со средней скоростью дрейфа, пропорциональной напряженности электрического поля, которую они испытывают во времени. Константа пропорциональности известна как подвижность носителя, которая является свойством материала. Хороший проводник должен иметь высокое значение подвижности 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.
Когда приложенное электрическое поле увеличивается с этой точки, скорость носителей больше не увеличивается, потому что носители теряют энергию из-за повышенных уровней взаимодействия с решеткой, испуская фононы и даже фотоны в виде как только энергия несущей становится достаточно большой для этого.
Скорость насыщения является очень важным параметром при разработке полупроводниковых устройств, 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 см / с, для GaAs 1,2 × 10 см / с, в то время как для 6H-SiC она составляет около 2 × 10 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, кристаллических дефектов и температуры.
Для очень маленьких устройств, где области сильного поля могут быть сопоставимы или меньше, чем средняя длина свободного пробега носителя заряда, одна Можно наблюдать эффекты превышения скорости или горячих электронов, которые становятся более важными, поскольку геометрия транзисторов постоянно уменьшается, что позволяет создавать более быстрые, большие и более плотные интегральные схемы. Режим, при котором два вывода, между которыми движется электрон, намного меньше, чем длина свободного пробега, иногда называют баллистическим переносом. В прошлом предпринимались многочисленные попытки построить транзисторы на основе этого принципа, но без особого успеха. Тем не менее, развитие области нанотехнологии и новых материалов, таких как углерод нанотрубки и графен, дает новую надежду.
Хотя в полупроводнике, таком как Si, скорость насыщения носителя такая же, как пиковая скорость носителя, для некоторых других материалов с более сложной полосой энергий структур, это неправда. Например, в GaAs или InP скорость дрейфа носителей в зависимости от поля достигает максимума, а затем она начинает фактически уменьшаться по мере дальнейшего увеличения приложенного электрического поля. Носители, которые набрали достаточно энергии, перемещаются в другую зону проводимости , которая представляет более низкую скорость дрейфа и, в конечном итоге, более низкую скорость насыщения в этих материалах. Это приводит к общему снижению тока для более высокого напряжения, пока все электроны не окажутся в «медленной» полосе, и это является принципом работы диода Ганна, который может отображать отрицательное дифференциальное сопротивление. Из-за переноса электронов в другую зону проводимости такие устройства, обычно с одним выводом, называются устройствами с переносом электронов или TED.
При разработке полупроводниковых устройств, особенно в субмикрометровом масштабе, который используется в современных микропроцессорах, важным фактором является насыщение скорости характеристика. Насыщение скорости сильно влияет на характеристики передачи напряжения полевого транзистора, который является основным устройством, используемым в большинстве интегральных схем. Если полупроводниковое устройство входит в режим насыщения по скорости, увеличение напряжения, подаваемого на устройство, не вызовет линейного увеличения тока, как можно было бы ожидать по закону Ома. Вместо этого ток может увеличиваться лишь на небольшую величину или не увеличиваться вовсе. Этим результатом можно воспользоваться при попытке спроектировать устройство, которое будет пропускать постоянный ток независимо от приложенного напряжения, т.е. ограничитель тока .
