Продольный перенос горячих электронов

В некоторых типах полевых транзисторов и нано­структур кинетическая энергия электронов, ускоряемых элек­трическим полем, может становиться очень высокой и значительно превышать равновесную тепловую энергию, имеющую порядок kТ. Естественно, что эффективная температура, соот­ветствующая распределению по энергии таких ускоренных элек­трическим полем электронов, будет намного выше температуры кристаллической решетки. В этих случаях принято говорить, что распределение электронов «отрывается» от распределения решетки, а сами такие электроны получили название горячих электронов. Следуя квазиклассическому подходу, эффективную температуру электронов для распределения со средней энергией можно определить из соотношения

. (6.1)

Перенос горячих электронов хорошо изучен в объемных по­лупроводниках, а с начала 90-х годов это явление стали иссле­довать и в различных наноструктурах. Изучение продольного переноса в гетероструктурах AlGaAs/GaAsпоказало, что под воздействием электрического поля скорость электронов в них действительно значительно превышает значения для обыч­ных, объемных кристаллов GаАs, причем разница возрастает с уменьшением температуры, как показано на рис. 6.4. Увели­чение скорости приписывали квантованию энергии электронов в квантовых ямах. Значения скорости особенно высоки для низшей подзоны (Е = Е₁)по сравнению со второй подзоной (Е = Е₂),в которой электронные волновые функции могут про­стираться достаточно далеко в область барьера и как следствие носители располагаются гораздо ближе к заряженным донорам, повышая эффективность рассеяния на примесных атомах.

Очень интересный эффект, названный пространственным переносом горячих электронов (RSТ), возникает при продоль­ном движении горячих электронов в квантовых гетерострукту­рах, и он уже стал основой нового типа высокочастотных ус­тройств. Этот эффект заключается в том, что при достаточно высокой энергии электронов некоторые из них могут просто «вы­скочить» из ямы, подобно тому как это показано на рис. 6.5 для квантовых ям в структурах типа АlGaAs/GаАs/АlGаАs, где электроны переходят из нелегированного слоя GаАs в леги­рованный барьер АlGаАs. В электронных приборах на основе структур с пониженной размерностью, подобных показанному на рис. 6.5, б, при повышении напряженности между источни­ком и стоком электроны могут переходить из материала с вы­сокой подвижностью электронов (GаАs) в материал с низкой подвижностью (АlGаАs).

В результате этого процесса на вольт-амперной характеристике, как показано на рис. 6.5, в, возникает область с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). Эффект отрица­тельного дифференциального сопротивления может быть ис­пользован для создания нового класса устройств, называемых резонансными туннельными транзисторами.

Рис. 6.4. Дрейфовая скорость электронов при продольном переносе в модулированно-легированных гетероструктурах АlGаАs/GаАs. Для сравнения приводится и кривая для объемного GаАs.

В объемных материалах движение носителей в электри­ческом поле обычно изучалось при размерах образцов, значи­тельно превышающих свободный пробег электронов. В сов­ременных электронных приборах, основанных на полевом эффекте (например, в полевых МОП-транзисторах), расстоя­ние исток-сток и длина затвора становятся очень короткими (порядка нескольких сотен нм).

Рис. 6.5. (а) Механизм возникновения отрицательного дифференци­ального сопротивления (ОДС); (б) структура прибора, рабо­тающего с использованием эффекта ОДС; (в) вольт-амперная характеристика

Такое уменьшение размеров приводит к тому, что электроны в канале ускоряются элект­рическим полем практически без столкновений. Такие элект­роны получили название баллистических, и достигаемые ими дрейфовые скорости могут достигать значений порядка 10⁷ см/с, что вдвое превышает дрейфовую скорость насыщения для объемных полупроводников.

Это явление называют эф­фектом всплеска дрейфовой скорости (velocity overshoot effect), и он уже используется в полевых транзисторах для сокраще­ния времени пролета электронов между истоком и стоком, что позволяет повысить высокочастотные характеристики прибо­ров.