Szybkość nasycenia

Prędkość nasycenia to maksymalna prędkość, jaką nośnik ładunku w półprzewodniku , zwykle w elektronie , osiąga w obecności bardzo silnych pól elektrycznych . Kiedy tak się dzieje, mówi się, że półprzewodnik znajduje się w stanie nasycenia prędkości . Nośniki ładunku zwykle poruszają się ze średnią prędkością dryfu proporcjonalną do natężenia pola elektrycznego, którego doświadczają w danym momencie. Stała proporcjonalności jest znana jako ruchliwość nośnika, która jest właściwością materialną. Dobry przewodnik miałby dużą ruchliwość nośnika ładunku, co oznacza większą prędkość, a co za tym idzie większe wartości prądu dla danego natężenia pola elektrycznego. Istnieje jednak granica tego procesu i przy pewnej wysokiej wartości pola nośnik ładunku nie może poruszać się szybciej po osiągnięciu prędkości nasycenia, ze względu na mechanizmy, które ostatecznie ograniczają ruch nośników w materiale.

Gdy przyłożone pole elektryczne wzrasta od tego punktu, prędkość nośnika już nie rośnie, ponieważ nośniki tracą energię poprzez zwiększone poziomy interakcji z siecią, emitując fonony , a nawet fotony , gdy tylko energia nośnika jest wystarczająco duża, aby to zrobić.

Tranzystory polowe

Szybkość nasycenia jest bardzo ważnym parametrem przy projektowaniu urządzeń półprzewodnikowych, zwłaszcza tranzystorów polowych , które są podstawowymi budulcami niemal wszystkich współczesnych układów scalonych . Typowe wartości prędkości nasycenia mogą się znacznie różnić dla różnych materiałów, np. dla Si jest to rzędu 1×10 ⁷ cm/s, dla GaAs 1,2×10 ⁷ cm/s, natomiast dla 6H-SiC jest bliskie 2 ×10 ⁷ cm/s. Typowe natężenia pola elektrycznego, przy których prędkość nośnika nasyca się, są zwykle rzędu 10-100 kV/cm. Zarówno pole nasycenia, jak i prędkość nasycenia materiału półprzewodnikowego są zazwyczaj silną funkcją zanieczyszczeń, defektów kryształów i temperatury.

Urządzenia małej skali

W przypadku urządzeń o bardzo małej skali, w których obszary wysokiego pola mogą być porównywalne lub mniejsze niż średnia średnia droga swobodna nośnika ładunku, można zaobserwować przeregulowanie prędkości lub efekty gorących elektronów , które stały się ważniejsze, ponieważ geometria tranzystora stale zmniejsza się do umożliwiają projektowanie szybszych, większych i gęstszych układów scalonych. Reżim, w którym dwa terminale, między którymi porusza się elektron, jest znacznie mniejszy niż średnia droga swobodna, jest czasami określany jako transport balistyczny . W przeszłości podejmowano wiele prób budowy tranzystory oparte na tej zasadzie bez większego powodzenia. Niemniej jednak rozwijająca się dziedzina nanotechnologii i nowe materiały, takie jak nanorurki węglowe i grafen , dają nową nadzieję.

Ujemna rezystywność różniczkowa

Chociaż w półprzewodniku, takim jak Si, prędkość nasycenia nośnika jest taka sama jak prędkość szczytowa nośnika, w przypadku niektórych innych materiałów o bardziej złożonych strukturach pasm energii nie jest to prawdą. Na przykład w GaAs lub InP prędkość dryfu nośnika osiąga maksimum w funkcji pola, a następnie zaczyna faktycznie spadać wraz ze wzrostem przyłożonego pola elektrycznego. Nośniki, które uzyskały wystarczającą ilość energii, są przenoszone do innego pasma przewodnictwa co przedstawia niższą prędkość dryfu i ostatecznie niższą prędkość nasycenia w tych materiałach. Powoduje to ogólny spadek prądu dla wyższego napięcia, aż wszystkie elektrony znajdą się w „wolnym” paśmie i jest to zasada działania diody Gunna , która może wykazywać ujemną rezystywność różnicową. Ze względu na przeniesienie elektronów do innego pasma przewodnictwa, takie urządzenia, zwykle z jednym zaciskiem, nazywane są urządzeniami z przeniesionymi elektronami lub TED.

Rozważania projektowe

Podczas projektowania urządzeń półprzewodnikowych , zwłaszcza w skali submikrometrowej, stosowanej w nowoczesnych mikroprocesorach , nasycenie prędkości jest ważną cechą konstrukcyjną. Nasycenie prędkości ma duży wpływ na charakterystykę przenoszenia napięcia tranzystora polowego , który jest podstawowym urządzeniem stosowanym w większości układów scalonych . Jeśli urządzenie półprzewodnikowe wejdzie w nasycenie prędkości, wzrost napięcia przyłożonego do urządzenia nie spowoduje liniowego wzrostu prądu, jak można by oczekiwać na podstawie prawa Ohma . Zamiast tego prąd może wzrosnąć tylko nieznacznie lub wcale. Można skorzystać z tego wyniku, próbując zaprojektować urządzenie, które będzie przepuszczać stały prąd niezależnie od przyłożonego napięcia, w efekcie działa ogranicznik prądu .