更新时间:2023-10-29 02:55
速度过冲效应(Velocity overshoot effect)是半导体载流子在强电场作用下所产生的一种瞬态输运现象。另外一种重要的瞬态输运现象是弹道输运。
速度过冲效应所表现出来的效果就是载流子的漂移速度超过正常的定态漂移速度。这种效应对于小尺寸器件以及化合物半导体器件等的性能的影响比较大,可有效地提高器件的工作频率和速度。
与速度过冲相对应的一种瞬态输运现象是速度下冲,即是突然去掉强电场时所产生的漂移速度低于定态速度的一种现象。
产生速度过冲的原因就在于半导体中载流子的动量弛豫时间远小于其能量弛豫时间,这实际上也就意味着,在强电场作用下,载流子能够很快地获得很大的动量,而相应地较难于获得很高的能量。这是由于载流子在强电场作用下获得动量的机理与获得能量的机理不同所致。
由于晶体中能够提供能量和动量的客体通常是声学波声子和光学波声子,而一般声学波声子的动量较大、能量较小,光学波声子的能量较大、动量较小,所以在强电场作用下,载流子所获得的动量主要是来自于声学波声子,而所获得的能量则主要是来自于光学波声子。
因为载流子从声学波声子处获得动量的速度要大于从光学波声子处获得能量的速度,所以在强电场作用下,载流子即会很快地通过与声学波声子的散射而获得动量、并达到很大的漂移速度,而与此同时其能量却可能仍然将处于原来较低的状态,需要通过较长一段时间才能达到相应的较高能量的状态;于是,这时载流子的漂移速度就远大于相应定态时的漂移速度——速度过冲,只有再经过一段时间,当能量也达到了较高的稳定状态以后才恢复到定态的漂移速度。以过冲速度输运的过程是一种瞬态过程,输运速度不同于定态输运。
类似地,如果突然撤去强电场,则载流子将很快失去动量,速度降低,但与此同时其能量的变化却不能马上跟上,则就出现速度下冲的现象。
速度过冲效应对于小尺寸器件以及化合物半导体器件等的性能的影响比较大,可有效地提高器件的工作频率和速度。
由于不同的半导体,它们的动量弛豫时间与能量弛豫时间的差别的大小不相同,因此在不同半导体中的速度过冲效应所产生影响的效果也不相同。
由于Si中载流子的动量弛豫时间和能量弛豫时间比较接近,则载流子速度过冲的时间和过冲的距离都比较小,因此对于Si器件及其集成电路,只有在深亚微米器件、超大规模集成电路中才有一定的影响。
但在GaAs等化合物半导体中由于动量弛豫时间要比能量弛豫时间短得多,则速度过冲现象显著,因此对器件性能的影响很大。
对GaAs,在刚加上强电场的瞬间,电子的漂移速度远超过强电场时的饱和速度,并且最大的电子的漂移速度值随着 ε的增高而增大,这种瞬态速度超过定值的现象称为速度过冲。