포화 속도

포화 속도는 반도체에서 충전 캐리어(일반적으로 전자)가 매우 높은 전기장이 있을 때 도달하는 최대 속도다.^[1] 이렇게 되면 반도체는 속도 포화 상태에 있다고 한다. ^[2] 충전 캐리어는 일반적으로 일시적으로 경험하는 전기장 강도에 비례하는 평균 드리프트 속도로 이동한다. 비례 상수는 운송회사의 이동성이라고 알려져 있는데, 이것은 물질적 특성이다. 양호한 도체는 충전 캐리어에 대해 높은 이동성 값을 가지며, 이는 더 높은 속도를 의미하며, 결과적으로 주어진 전기장 강도에 대한 더 높은 전류 값을 의미한다. 이 과정에는 한계가 있지만, 높은 현장 값에서 충전 캐리어는 결국 물질 내 캐리어의 이동을 제한하는 메커니즘 때문에 포화 속도에 도달한 채 더 빨리 움직일 수 없다.^[3]

적용된 전기장이 그 지점에서 증가함에 따라 반송파 에너지가 충분히 커지자마자 음소 및 광자까지 방출하여 격자와 상호작용의 증가된 수준을 통해 반송파가 에너지를 잃기 때문에 반송파 속도는 더 이상 증가하지 않는다.^[4]

전계효과 트랜지스터

포화 속도는 반도체 소자, 특히 거의 모든 현대적 집적회로의 기본 구성 요소인 전기장 효과 트랜지스터의 설계에서 매우 중요한 매개변수다. 포화 속도의 일반적인 값은 재료마다 크게 다를 수 있다. 예를 들어 Si의 경우 1×10⁷ cm/s, GaAs 1.2×10⁷ cm/s, 6H-SiC의 경우 2×10⁷ cm/s에 가깝다. 일반적으로 반송파 속도가 포화 상태에 있는 대표적인 전기장 강도는 10-100 kV/cm이다. 반도체 물질의 포화장과 포화 속도 모두 불순물, 결정 결함 및 온도의 강력한 기능이다.

소형 장치

고지대 영역이 충전 캐리어의 평균 자유 경로와 비슷하거나 더 작을 수 있는 초소형 소자의 경우, 속도 오버슈트 또는 트랜지스터 기하학이 지속적으로 감소함에 따라 더 중요해진 뜨거운 전자 효과를 관찰하여 더 빠르고, 더 크고, 더 밀도가 높은 통합 설계를 가능하게 한다. 회로.^[5] 전자가 움직이는 두 단자가 평균적인 자유 경로보다 훨씬 작은 체제는 때때로 탄도 운송이라고 불린다. 과거에는 큰 성공 없이 이 원칙에 따라 트랜지스터를 건설하려는 시도가 수없이 있었다. 그럼에도 나노기술의 개발 분야와 탄소나노튜브, 그래핀 등 신소재가 새로운 희망을 주고 있다.

음의 차동 저항성

반송파의 Si 포화속도와 같은 반도체에서는 반송파의 최고속도와 동일하지만, 에너지 대역 구조가 더 복잡한 일부 다른 재료의 경우에는 그렇지 않다. 예를 들어 GaAs 또는 InP에서 반송파 드리프트 속도는 전계 함수로서 최대치에 도달한 다음 적용된 전계장이 더 증가함에 따라 실제로 감소하기 시작한다. 에너지를 충분히 얻은 캐리어는 이러한 물질에서 낮은 드리프트 속도와 결과적으로 낮은 포화 속도를 나타내는 다른 전도 대역까지 차게 된다. 이로 인해 모든 전자가 "저속" 대역에 속할 때까지 높은 전압에 대한 전류가 전반적으로 감소하며 이는 음의 미분 저항성을 표시할 수 있는 건 다이오드의 작동 배후에 있는 원리다. 관련된 다른 전도 대역으로 전자가 전달되기 때문에, 일반적으로 단일 단자인 그러한 장치는 TED(Transfered Electronics Devices) 또는 TED(Transfered Electronal Devices)라고 한다.

설계 고려사항

반도체 소자를 설계할 때, 특히 현대 마이크로프로세서에서 사용되는 하위 마이크로미터 척도로 설계할 때, 속도 포화는 중요한 설계 특성이다. 속도 포화는 대부분의 집적 회로에 사용되는 기본 소자인 전계효과 트랜지스터의 전압 전달 특성에 큰 영향을 미친다. 반도체 소자가 속도 포화 상태에 들어가면 장치에 인가되는 전압의 증가는 옴의 법칙에서 예상하는 것처럼 전류의 선형 증가를 유발하지 않는다. 대신 물살은 소량만 늘어나거나 아예 늘어나지 않을 수도 있다. 유효 전류 한계치인 인가 전압과 상관없이 정전류를 통과하는 장치를 설계하려고 할 때 이 결과를 활용할 수 있다.

참조