La velocidad de saturación es la velocidad máxima que alcanza un portador de carga en un semiconductor , generalmente un electrón , en presencia de campos eléctricos muy altos . [1] Cuando esto sucede, se dice que el semiconductor está en un estado de saturación de velocidad . [2] Los portadores de carga normalmente se mueven a una velocidad de deriva promedio proporcional a la intensidad del campo eléctrico que experimentan temporalmente. La constante de proporcionalidad se conoce como movilidad del portador, que es una propiedad del material. Un buen conductor tendría un valor de movilidad alto para su portador de carga, lo que significa mayor velocidad y, en consecuencia, valores de corriente más altos para una intensidad de campo eléctrico dada. Sin embargo, existe un límite para este proceso y, en algún valor de campo alto, un portador de carga no puede moverse más rápido, habiendo alcanzado su velocidad de saturación, debido a mecanismos que eventualmente limitan el movimiento de los portadores en el material. [3]
A medida que el campo eléctrico aplicado aumenta a partir de ese punto, la velocidad del portador ya no aumenta porque los portadores pierden energía a través del aumento de los niveles de interacción con la red, al emitir fonones e incluso fotones tan pronto como la energía del portador es lo suficientemente grande para hacerlo. [4]
La velocidad de saturación es un parámetro muy importante en el diseño de dispositivos semiconductores, especialmente transistores de efecto de campo , que son bloques básicos de construcción de casi todos los circuitos integrados modernos . Los valores típicos de la velocidad de saturación pueden variar mucho para diferentes materiales, por ejemplo, para Si es del orden de 1 × 10 7 cm/s, para GaAs 1,2 × 10 7 cm/s, mientras que para 6H-SiC , es cerca de 2 × 10 7 cm/s. Las intensidades típicas del campo eléctrico en las que la velocidad del portador se satura son generalmente del orden de 10-100 kV/cm. Tanto el campo de saturación como la velocidad de saturación de un material semiconductor son típicamente una función fuerte de las impurezas, los defectos del cristal y la temperatura.
Para dispositivos de escala extremadamente pequeña, donde las regiones de alto campo pueden ser comparables o más pequeñas que el camino libre medio promedio del portador de carga, se puede observar un sobreimpulso de velocidad o efectos de electrones calientes que se han vuelto más importantes a medida que las geometrías de los transistores disminuyen continuamente para permitir el diseño de circuitos integrados más rápidos, más grandes y más densos. [5] El régimen donde los dos terminales entre los que se mueve el electrón son mucho más pequeños que el camino libre medio, a veces se denomina transporte balístico . Ha habido numerosos intentos en el pasado de construir transistores basados en este principio sin mucho éxito. Sin embargo, el campo en desarrollo de la nanotecnología y nuevos materiales como los nanotubos de carbono y el grafeno ofrecen nuevas esperanzas.
Aunque en un semiconductor como el silicio la velocidad de saturación de un portador es la misma que la velocidad pico del portador, para otros materiales con estructuras de bandas de energía más complejas , esto no es cierto. En GaAs o InP, por ejemplo, la velocidad de deriva del portador alcanza un máximo en función del campo y luego comienza a disminuir a medida que aumenta aún más el campo eléctrico aplicado. Los portadores que han ganado suficiente energía son impulsados a una banda de conducción diferente que presenta una velocidad de deriva menor y, finalmente, una velocidad de saturación menor en estos materiales. Esto da como resultado una disminución general de la corriente para un voltaje más alto hasta que todos los electrones están en la banda "lenta" y este es el principio detrás del funcionamiento de un diodo Gunn , que puede mostrar resistividad diferencial negativa. Debido a la transferencia de electrones a una banda de conducción diferente involucrada, dichos dispositivos, generalmente de un solo terminal, se denominan dispositivos de electrones transferidos o TED.
Al diseñar dispositivos semiconductores , especialmente en una escala submicrométrica como la que se usa en los microprocesadores modernos , la saturación de velocidad es una característica de diseño importante. La saturación de velocidad afecta en gran medida las características de transferencia de voltaje de un transistor de efecto de campo , que es el dispositivo básico utilizado en la mayoría de los circuitos integrados . Si un dispositivo semiconductor entra en saturación de velocidad, un aumento en el voltaje aplicado al dispositivo no causará un aumento lineal en la corriente como se esperaría según la ley de Ohm . En cambio, la corriente solo puede aumentar en una pequeña cantidad, o no aumentar en absoluto. Es posible aprovechar este resultado al intentar diseñar un dispositivo que pase una corriente constante independientemente del voltaje aplicado, un limitador de corriente en efecto.