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  • 速度飽和效應詳解,什么是速度飽和效應介紹
    • 發布時間:2024-04-25 21:35:53
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    速度飽和效應詳解,什么是速度飽和效應介紹
    速度飽和效應
    速度飽和效應:在強電場環境下,載流子的漂移速度隨電場強度的增加而增加的幅度逐漸降低,并最終趨于飽和狀態的現象。
    這種效應在半導體器件中尤為顯著,其中載流子(如電子和空穴)在電場力的作用下定向移動形成漂移電流。載流子的漂移速度與電場強度成正比,比例系數為載流子遷移率。當電場強度增加到一定程度時,載流子的漂移速度將達到其散射極限速度,此時漂移電流達到飽和狀態。
    速度飽和效應的發生與半導體器件的結構和操作條件密切相關。例如,在金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOS管)中,當溝道電場強度超過一定閾值時,溝道載流子的速度會達到飽和,導致漏極電流不再隨電場強度的增加而線性增加。這種現象發生在MOS管工作在飽和區時,即漏源電壓(VDS)超過柵源電壓(VGS)減去閾值電壓(VTH)的情況下。
    速度飽和效應對半導體器件的性能有重要影響。它決定了器件在高電場下的最大電流輸出能力和頻率響應特性。
    什么是速度飽和效應
    在半導體器件中,載流子在外加電壓時,受到電場力的作用而定向移動,形成漂移電流,載流子的平均漂移速度V與電場強度E成正比,比率就是載流子遷移率μ,即V=uE。
    載流子漂移速度不是無限大的,當外加電場足夠大時,載流子漂移速度將達到散射極限速度Vscl (Limiting scattering velocity),將使得漂移電流達到飽和。
    上述給出的漂移速度公式難免會給人帶來誤解:當載流子遷移率u減小時,將更不容易發生速度飽和。實際上,載流子遷移率ueff和電場強度是相關的,或者一定程度上,載流子遷移率u減小將導致速度飽和效應發生。
    對速度飽和效應的理解
    通過下圖可以更直觀的理解速度飽和效應,VDS在尚未達到飽和區電壓VGS-VTH時,電流已經發生飽和,即漏電流提前發生飽和,此時的飽和電壓VDO小于過驅動電壓。
    速度飽和效應
    當MOS管發生速度飽和時,我們可以寫出漏極速度飽和電流為:ID=Vsat×Q=Vsat×WCox(VGS-VTH)
    速度飽和效應
    如上圖所示,此時的漏極電流與過驅動電壓呈線性關系,而不是平方關系。我們可以用這種線性關系來表示發生了速度飽和,飽和區MOS管IV特性也可能介于線性與平方關系之間。
    對于具有特定溝道長度的晶體管,例如溝道長度為0.5um的晶體管,當漏源電壓超過0.75V時,將會引發速度飽和。在飽和區,漏極電流的行為更符合平方關系,尤其是在過驅動電壓增大時。
    因為在實際操作中,縱向電場的作用下,載流子會朝著斜上方運動。當縱向電場過強時,載流子會被局限在絕緣層下的狹窄區域,導致更多的散射事件,從而減小了載流子的遷移率。這種現象會導致實際載流子遷移率的減小,進而影響MOS晶體管的IV特性。
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