Vitesse de saturation - Saturation velocity
La vitesse de saturation est la vitesse maximale qu'un porteur de charge dans un semi - conducteur , généralement un électron , atteint en présence de champs électriques très élevés . Lorsque cela se produit, on dit que le semi-conducteur est dans un état de saturation de vitesse . Les porteurs de charge se déplacent normalement à une vitesse de dérive moyenne proportionnelle à l' intensité du champ électrique qu'ils subissent temporellement. La constante de proportionnalité est appelée mobilité du porteur, qui est une propriété matérielle. Un bon conducteur aurait une valeur de mobilité élevée pour son porteur de charge, ce qui signifie une vitesse plus élevée, et par conséquent des valeurs de courant plus élevées pour une intensité de champ électrique donnée. Il y a une limite cependant à ce processus et à une certaine valeur de champ élevée, un porteur de charge ne peut pas se déplacer plus rapidement, ayant atteint sa vitesse de saturation, en raison de mécanismes qui finissent par limiter le mouvement des porteurs dans le matériau.
Au fur et à mesure que le champ électrique appliqué augmente à partir de ce point, la vitesse du porteur n'augmente plus car les porteurs perdent de l'énergie en augmentant les niveaux d'interaction avec le réseau, en émettant des phonons et même des photons dès que l'énergie du porteur est suffisamment grande pour le faire.
Transistors à effet de champ
La vitesse de saturation est un paramètre très important dans la conception de dispositifs à semi-conducteurs, en particulier les transistors à effet de champ , qui sont les éléments de base de presque tous les circuits intégrés modernes . Les valeurs typiques de vitesse de saturation peuvent varier considérablement pour différents matériaux, par exemple pour Si elle est de l'ordre de 1 × 10 7 cm / s, pour GaAs 1,2 × 10 7 cm / s, tandis que pour 6H-SiC , elle est proche de 2 × 10 7 cm / s. Les intensités de champ électrique typiques auxquelles la vitesse de la porteuse sature est généralement de l'ordre de 10 à 100 kV / cm. Le champ de saturation et la vitesse de saturation d'un matériau semi-conducteur sont généralement fortement fonction des impuretés, des défauts cristallins et de la température.
Appareils à petite échelle
Pour les dispositifs à très petite échelle, où les régions à champ élevé peuvent être comparables ou plus petites que le chemin libre moyen moyen du porteur de charge, on peut observer un dépassement de vitesse ou des effets d' électrons chauds qui sont devenus plus importants à mesure que les géométries des transistors diminuent continuellement à permettent la conception de circuits intégrés plus rapides, plus gros et plus denses. Le régime dans lequel les deux terminaux entre lesquels l'électron se déplace est beaucoup plus petit que le libre parcours moyen, est parfois appelé transport balistique . Il y a eu de nombreuses tentatives dans le passé pour construire des transistors basés sur ce principe sans grand succès. Néanmoins, le développement du domaine de la nanotechnologie et de nouveaux matériaux tels que les nanotubes de carbone et le graphène offre un nouvel espoir.
Résistivité différentielle négative
Bien que dans un semi-conducteur tel que la vitesse de saturation en Si d'un support soit identique à la vitesse de pointe du support , ce n'est pas vrai pour certains autres matériaux avec des structures de bande d'énergie plus complexes . Dans GaAs ou InP par exemple, la vitesse de dérive du porteur atteint un maximum en fonction du champ, puis elle commence effectivement à diminuer à mesure que le champ électrique appliqué est encore augmenté. Les porteurs qui ont gagné suffisamment d'énergie sont projetés vers une bande de conduction différente qui présente une vitesse de dérive plus faible et finalement une vitesse de saturation plus faible dans ces matériaux. Il en résulte une diminution globale du courant pour une tension plus élevée jusqu'à ce que tous les électrons soient dans la bande "lente" et c'est le principe derrière le fonctionnement d'une diode Gunn , qui peut afficher une résistivité différentielle négative. En raison du transfert d'électrons vers une bande de conduction différente impliquée, de tels dispositifs, généralement à un seul terminal, sont appelés dispositifs à électrons transférés ou TED.
Considérations sur la conception
Lors de la conception de dispositifs à semi-conducteurs , en particulier à une échelle inférieure au micromètre utilisée dans les microprocesseurs modernes , la saturation de la vitesse est une caractéristique de conception importante. La saturation de la vitesse affecte considérablement les caractéristiques de transfert de tension d'un transistor à effet de champ , qui est le dispositif de base utilisé dans la plupart des circuits intégrés . Si un dispositif à semi-conducteur entre en saturation de vitesse, une augmentation de la tension appliquée au dispositif ne provoquera pas une augmentation linéaire du courant comme cela serait attendu par la loi d'Ohm . Au lieu de cela, le courant peut n'augmenter que d'une petite quantité, voire pas du tout. Il est possible de profiter de ce résultat pour tenter de concevoir un appareil qui passera un courant constant quelle que soit la tension appliquée, limiteur de courant en effet.