Скорость насыщения - это максимальная скорость, которую носитель заряда в полупроводнике , обычно в электроне , 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 дирижербудет 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 носителей становится достаточно большой для этого. [4]
Полевые транзисторы [ править ]
Скорость насыщения - очень важный параметр 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 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 носителей достигает насыщения, обычно составляет порядка 10-100 кВ / см. Как поле насыщения, так и скорость насыщения полупроводникового материала обычно сильно зависят от примесей,дефекты кристалла и температура.
Маломасштабные устройства [ править ]
Для чрезвычайно малых размеров устройств, 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 транзисторов постоянно уменьшается до позволяют разрабатывать 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 баллистическим переносом . В прошлом предпринимались многочисленные попытки построить транзисторы на основе этого принципа, но без особого успеха. Тем не менее, развивающаяся сферананотехнологии и новые материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен , дают новую надежду.
Отрицательное дифференциальное сопротивление [ править ]
Хотя в полупроводнике, таком как Si, скорость насыщения носителя такая же, как пиковая скорость носителя, для некоторых других материалов с более сложной структурой энергетических зон это неверно. В GaAs или InP , например дрейфа носителей скорость достигает до максимума в зависимости от поля , а затем она начинает фактически уменьшить , как электрическое поле , приложенное дополнительно увеличивается. Носители, которые набрали достаточно энергии, перемещаются в другую зону проводимости, которая имеет более низкую скорость дрейфа и, в конечном итоге, более низкую скорость насыщения в этих материалах. Это приводит к общему уменьшению тока для более высокого напряжения, пока все электроны не окажутся в «медленной» полосе, и это принцип, лежащий в основе работыДиод Ганна , который может отображать отрицательное дифференциальное сопротивление. Из-за переноса электронов в другую задействованную зону проводимости такие устройства, обычно с одним выводом, называются устройствами с переносом электронов или TED.
Соображения по дизайну [ править ]
При разработке полупроводниковых устройств , особенно в субмикрометровом масштабе, который используется в современных микропроцессорах , насыщение скорости является важной конструктивной характеристикой. 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 приложенного к нему напряжения не вызовет линейного увеличения тока, как можно было бы ожидать по закону Ома.. Вместо этого ток может увеличиваться только на небольшую величину или не увеличиваться вовсе. Этим результатом можно воспользоваться при попытке спроектировать устройство, которое будет пропускать постоянный ток независимо от приложенного напряжения, то есть ограничителя тока .
Ссылки [ править ]
- ^ Основы полупроводников: физика и свойства материалов , Питер Ю. Ю., Мануэль Кардона, стр. 227-228, Springer, Нью-Йорк 2005, ISBN 3-540-25470-6
- ^ "Насыщенность скорости" . Проверено 23 октября 2006 .
- ^ GaAs приборов и схем , Майкл Шур, стр. 310-324, Plenum Press, NY 1987, ISBN 0-306-42192-5
- ^ "Расширенные проблемы MOSFET" . Проверено 23 октября 2006 .
- ^ Скорость дырок в сильном поле 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.
