热载流子效应

热载流子效应(Hot carrier Effect,HCE)

（1）基本概念：

热载流子就是具有高能量的载流子，即其动能高于平均热运动能量（～kT）的载流子；因此其运动速度也一定很高。

当载流子从外界获得了很大能量时，即可成为热载流子。例如在强电场作用下，载流子沿着电场方向不断漂移，不断加速，即可获得很大的动能，从而可成为热载流子。

对于半导体器件，当器件的特征尺寸很小时，即使在不很高的电压下，也可产生很强的电场，从而易于导致出现热载流子。因此，在小尺寸器件以及大规模集成电路中，容易出现热载流子。由于热载流子所造成的一些影响，就称为热载流子效应。

（2）在半导体中，热载流子所表现出来的重要效应主要有两个方面：

其一是非线性的速度-电场关系：Si中的载流子在高电场时即呈现出漂移速度饱和现象，这就是由于热载流子发射光学波声子(约0.05eV)的结果。GaAs中的电子当被电场“加热”到能量kTe达到0.31eV时（Te是所谓热载流子温度），即从主能谷跃迁到次能谷，从而产生负阻现象。

其二是碰撞电离效应：热电子与晶格碰撞、并打破价键，即把价电子激发到导带而产生电子-空穴对的一种作用，碰撞电离需要满足能量和动量守恒，所需要的能量Ei ≈ 3 Eg /2，碰撞电离的程度可用所谓电离率α来表示，α与电场E有指数关系：α = A exp(－Ei/kTe) = A exp(－B/E)。当倍增效应很严重时，即导致产生击穿现象。

（3）热载流子效应所造成的后果：

这些热载流子效应所造成的影响，有的是很有用处的。例如n-GaAs中出现的负阻现象，即可用来实现所谓转移电子器件——一种重要的微波-毫米波器件。又如，利用MOSFET中的热载流子可以向栅氧化层注入的作用，能够制作出存储器。再如，利用热载流子的碰撞电离效应，可以制造出雪崩二极管等器件。

但是，有的热载流子效应却具有很大的害处。例如在VLSI中，热载流子效应往往就是导致器件和集成电路产生失效的重要原因，所以是需要特别注意和加以防止的。