電子遷移

電子遷移

“電子遷移”是50年代在微電子科學領域發現的一種從屬現象,指因電子的流動所導致的金屬原子移動的現象。因為此時流動的“物體”已經包括了金屬原子,所以也有人稱之為“金屬遷移”。在電場強度不太大時,電子和空穴移動的速度(也稱漂移速度)vn、vp與電場強度E成正比,可表示為vn=-mnE 或vp=mp式中,mn為電子遷移率;mp為空穴遷移率。遷移率越大,需要的渡越時間越短,電晶體的截止頻率與基區材料的載流子遷移率成正比,因此提高載流子遷移率,可以降低功耗,提高器件的電流承載能力,同時,提高電晶體的開關形影速度。

概述

“電子遷移”是50年代在微電子科學領域發現的一種從屬現象,指因電子的流動所導致的金屬原子移動的現象。因為此時流動的“物體”已經包括了金屬原子,所以也有人稱之為“金屬遷移”。在電流密度很高的導體上,電子的流動會產生不小的動量,這種動量作用在金屬原子上時,就可能使一些金屬原子脫離金屬表面到處流竄,結果就會導致原本光滑的金屬導線的表面變得凹凸不平,造成永久性的損害。這種損害是個逐漸積累的過程,當這種“凹凸不平”多到一定程度的時候,就會造成CPU內部導線的斷路與短路,而最終使得CPU報廢。溫度越高,電子流動所產生的作用就越大,其徹底破壞CPU內一條通路的時間就越少,即CPU的壽命也就越短,這也就是高溫會縮短CPU壽命的本質原因。

電子遷移率

在電場作用下,半導體中的載流子作定向漂移運動由此形成的電流稱為漂移電流。在電場強度不太大時,電子和空穴移動的速度(也稱漂移速度)vn、vp與電場強度E成正比,可表示為vn=-mnE 或vp=mp式中,mn為電子遷移率;mp為空穴遷移率。遷移率m是單位電場強度引起的載流子的平均漂移速度,其數值與半導體的材料、摻雜濃度、溫度等關。在室溫300K時,矽材料的mn =0.13cm2/V×s; mp =0.05cm2/V×s; 鍺材料的mn =0.38cm2/V×s;mp =0.18cm2/V×s。對同一種材料,空穴的遷移率比電子的遷移率低,這是因為空穴的運動是共價鍵中的電子依次填補空穴的結果,它不如自由電子靈活,所以其漂移速度低。式中右邊的負號表明電子漂移運動的方向與電場相反。

遷移率主要影響到電晶體的兩個:

一是載流子濃度一起決定半導體材料的電導率(電阻率的倒數)的大小。遷移率越大,電阻率越小,通過相同電流時,功耗越小,電流承載能力越大。由於電子的遷移率一般高於空穴的遷移率,因此,功率型MOSFET通常總是採用電子作為載流子的n溝道結構,而不採用空穴作為載流子的p溝道結構。

二是影響器件的工作頻率。雙極電晶體頻率回響特性最主要的限制是少數載流子渡越基區的時間。遷移率越大,需要的渡越時間越短,電晶體的截止頻率與基區材料的載流子遷移率成正比,因此提高載流子遷移率,可以降低功耗,提高器件的電流承載能力,同時,提高電晶體的開關形影速度。

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