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¿Puede la corriente en un semiconductor ser independiente de la movilidad de los portadores de carga?

¿Se puede fabricar un dispositivo de manera que la corriente que lo atraviesa sea independiente de la movilidad del portador?

En un semiconductor habitual o en un dispositivo fabricado con material semiconductor, la corriente debida a los portadores de carga (tanto los generados térmicamente como los portadores debidos al dopaje) es función de la movilidad, que a su vez es función de la temperatura, los niveles de dopaje y el campo eléctrico aplicado. Mi pregunta es

¿Existe algún dispositivo que se pueda fabricar de forma que la conducción a través de él sea independiente de la movilidad del portador?

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shayan Puntos 11

En un sentido absoluto, la respuesta es no - si pudiéramos poner la movilidad del portador a cero, no fluiría ninguna corriente (por supuesto, se podría argumentar que ya no es un semiconductor - estoy de acuerdo, pero me gusta poner los límites extremos).

En un volumen de material similar, prevalecerá la ley de Ohms, y la resistividad dependerá de la movilidad del portador.

En un dispositivo simple (diodo, transistor), cuestiones similares afectarían al rendimiento.

En un CI lineal, ciertamente se puede proporcionar retroalimentación para compensar las diferencias de movilidad de la portadora en algún rango, dependiendo del diseño. Esto es necesario ya que existen variaciones de movilidad de matriz a matriz, de oblea a oblea y de lote a lote. Cómo diseñar de forma adecuada es una cuestión que quizá debería tratarse en el sitio de EE StackExchange.

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Chris Down Puntos 122

Estoy de acuerdo con @JonCuster. Sin embargo, me gustaría complementar su respuesta mencionando un "truco" que puede utilizarse para eludir el problema de la dependencia de la movilidad. Hay una forma en la que la "movilidad", según la definición convencional, no no afectan a la corriente que pasa por el dispositivo. Esto es posible si el dispositivo es "balístico". Sin embargo, con un dispositivo balístico estaríamos haciendo trampa, ya que la movilidad es indefinido para un dispositivo balístico. Antes de desarrollar estas afirmaciones, permítanme describir la movilidad desde un punto de vista microscópico.

La interpretación microscópica de un fenomenológico parámetro como la movilidad está relacionado con la tasa de dispersión de portadores durante transporte del transportista. En otras palabras, la movilidad es una medida de la velocidad a la que una partícula portadora de corriente se dispersa de los fonones, electrones, impurezas, defectos de la red, etc. Matemáticamente se puede expresar como $$\mu = \frac{e \tau}{m_{\rm eff}}$$ donde $e$ es la carga unitaria, $\tau$ es el en general "tiempo de vida del portador" o "tiempo de relajación del portador", y $m_{\rm eff}$ es la masa efectiva del portador. Las contribuciones individuales de procesos de dispersión cualitativamente diferentes pueden incluirse utilizando la regla de Matthiessen: $$\frac{1}{\tau} = \frac{1}{\tau_{\rm phonon}} + \frac{1}{\tau_{\rm impurity}} + \frac{1}{\tau_{\rm defects}} + \ldots$$ donde (por ejemplo) $\tau_{\rm phonon}$ sería el intervalo de tiempo entre la colisión sucesiva de un portador con un fonón.

Ahora, en un dispositivo balístico, el portador viaja a través de todo el dispositivo sin dispersarse ni una sola vez. Esto se consigue manipulando la geometría del dispositivo, los parámetros del material, la temperatura, etc., que a su vez afectan a la contribución de las diferentes fuentes de dispersión. Sin embargo, como he señalado antes, estamos haciendo trampa. Esto se debe a que la movilidad, al estar definida únicamente en términos de tasa de dispersión, es indefinida en un dispositivo balístico. En otras palabras, si te digo que un dispositivo tiene movilidad $\mu$ , entonces es implícito que el dispositivo es no balístico. Por lo tanto, no se puede tener un fijo movilidad bien definida y que la corriente sea independiente de la movilidad. Esto es más o menos lo mismo que señaló @JonCuster.

Si está interesado en cómo se obtendría el transporte balístico, esa es una pregunta aparte, que estaré encantado de responder si es necesario. En este post, simplemente señalé que la movilidad solo no puede describir completamente el transporte de semiconductores en todos los regímenes de parámetros. Si le interesa, también puede encontrar varios ejemplos de dispositivos balísticos en la literatura sobre transporte.

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