Mättnadshastighet

Mättnadshastighet är den maximala hastighet en laddningsbärare i en halvledare , vanligtvis en elektron , uppnår i närvaro av mycket höga elektriska fält . När detta händer sägs halvledaren vara i ett tillstånd av hastighetsmättnad . Laddningsbärare rör sig normalt med en genomsnittlig drifthastighet som är proportionell mot den elektriska fältstyrkan de upplever temporärt. Proportionalitetskonstanten kallas bärarens mobilitet , vilket är en materiell egenskap. En bra ledare skulle ha ett högt mobilitetsvärde för sin laddningsbärare, vilket innebär högre hastighet, och följaktligen högre strömvärden för en given elektrisk fältstyrka. Det finns dock en gräns för denna process och vid något högt fältvärde kan en laddningsbärare inte röra sig snabbare, efter att ha nått sin mättnadshastighet, på grund av mekanismer som så småningom begränsar rörelsen för bärarna i materialet.

När det applicerade elektriska fältet ökar från den punkten, ökar inte längre bärarhastigheten eftersom bärarna förlorar energi genom ökade nivåer av interaktion med gittret, genom att sända ut fononer och till och med fotoner så snart bärarenergin är tillräckligt stor för att göra det.

Fälteffekttransistorer

Mättnadshastighet är en mycket viktig parameter i designen av halvledarenheter, särskilt fälteffekttransistorer , som är grundläggande byggstenar i nästan alla moderna integrerade kretsar . Typiska värden för mättnadshastighet kan variera mycket för olika material, till exempel för Si är den i storleksordningen 1×10 ⁷ cm/s, för GaAs 1,2×10 ⁷ cm/s, medan den för 6H-SiC är nära 2 × 10 ⁷ cm/s. Typiska elektriska fältstyrkor vid vilka bärarhastigheten mättas är vanligtvis i storleksordningen 10-100 kV/cm. Både mättnadsfältet och mättnadshastigheten för ett halvledarmaterial är vanligtvis en stark funktion av föroreningar, kristalldefekter och temperatur.

Småskaliga enheter

För extremt småskaliga anordningar, där högfältsområdena kan vara jämförbara eller mindre än den genomsnittliga medelfria vägen för laddningsbäraren, kan man observera hastighetsöverskridande eller heta elektroneffekter som har blivit viktigare eftersom transistorgeometrierna ständigt minskar till möjliggör design av snabbare, större och tätare integrerade kretsar. Regimen där de två terminalerna mellan vilka elektronen rör sig är mycket mindre än den genomsnittliga fria vägen, kallas ibland för ballistisk transport . Det har gjorts många försök tidigare att bygga transistorer baserade på denna princip utan större framgång. Ändå erbjuder utvecklingen av nanoteknologin och nya material som kolnanorör och grafen nytt hopp .

Negativ differentialresistivitet

Även om i en halvledare som Si mättnadshastigheten för en bärare är samma som bärarens topphastighet, för vissa andra material med mer komplexa energibandstrukturer , är detta inte sant. I GaAs eller InP till exempel når bärardrifthastigheten till ett maximum som en funktion av fältet och sedan börjar den faktiskt minska när det pålagda elektriska fältet ökas ytterligare. Bärare som har fått tillräckligt med energi sparkas upp till ett annat ledningsband som ger en lägre drifthastighet och så småningom en lägre mättnadshastighet i dessa material. Detta resulterar i en total minskning av strömmen för högre spänning tills alla elektroner är i det "långsamma" bandet och detta är principen bakom driften av en Gunn-diod , som kan visa negativ differentialresistivitet. På grund av överföringen av elektroner till ett annat inblandat ledningsband, kallas sådana enheter, vanligtvis enkla terminaler, som överförda elektronenheter eller TED.

Designöverväganden

När man designar halvledarenheter , särskilt på en submikrometerskala som används i moderna mikroprocessorer , är hastighetsmättnad en viktig designegenskap. Hastighetsmättnad påverkar kraftigt spänningsöverföringsegenskaperna hos en fälteffekttransistor, som är den grundläggande enheten som används i de flesta integrerade kretsar . Om en halvledarenhet går in i hastighetsmättnad, kommer en ökning av spänningen som appliceras på enheten inte att orsaka en linjär ökning av strömmen som skulle förväntas av Ohms lag . Istället kan strömmen bara öka med en liten mängd, eller inte alls. Det är möjligt att dra fördel av detta resultat när man försöker designa en enhet som kommer att passera en konstant ström oavsett vilken spänning som appliceras, en strömbegränsare i kraft.