Подвижность носителей заряда является одним из ключевых параметров, определяющих скорость работы и эффективность полупроводниковых приборов. Подвижность электронов характеризует среднюю скорость их движения под действием электрического поля и определяется как
$$ \mu = \frac{v_d}{E}, $$
где vd — дрейфовая скорость электронов, E — напряжённость электрического поля.
Высокая электронная подвижность достигается при уменьшении процессов рассеяния и повышении степени кристаллического совершенства материала. Чем меньше носитель теряет импульс в результате взаимодействия с фононами, дефектами и примесями, тем выше его подвижность.
Фононное рассеяние При повышении температуры усиливаются колебания решётки, что приводит к росту вероятности рассеяния электронов на акустических и оптических фононах. Фононное рассеяние становится доминирующим механизмом при температурах, близких к и выше комнатной.
Ионное рассеяние на примесях При низких температурах основной вклад в снижение подвижности вносят кулоновские взаимодействия между электронами и ионизованными атомами примесей. Чем выше степень легирования, тем сильнее эффект.
Поверхностное и интерфейсное рассеяние В тонкоплёночных структурах и в транзисторах с каналом на границе раздела полупроводник–диэлектрик носители сталкиваются с шероховатостями интерфейса. Этот процесс критичен для МДП-транзисторов.
Квантово-механические эффекты в низкоразмерных структурах В двумерных электронных газах (2DEG), формирующихся в гетероструктурах AlGaAs/GaAs, эффективная подвижность возрастает за счёт пространственного разделения электронов и ионных центров примесей, что снижает кулоновское рассеяние.
Кремний (Si) В кремнии подвижность электронов ограничена фононным и ионным рассеянием. Максимальные значения в ненасыщенных условиях при комнатной температуре составляют порядка μn ≈ 1400 см2/В·с.
Германия (Ge) Благодаря меньшей эффективной массе электронов по сравнению с кремнием, подвижность выше — около μn ≈ 3900 см2/В·с. Однако материал менее технологичен и хуже совместим с существующими процессами микроэлектроники.
Соединения A3B5 (GaAs, InAs, InSb) Эти материалы демонстрируют значительно более высокую подвижность благодаря малой эффективной массе и высокой кристаллической чистоте. В GaAs она достигает μn ≈ 8500 см2/В·с, в InAs — около 30 000 см2/В·с, а в InSb — более 70 000 см2/В·с.
Гетероструктуры и двумерные электронные системы В AlGaAs/GaAs-гетероструктурах при низких температурах удаётся получить подвижность порядка 106 см2/В·с. Это стало возможным благодаря использованию метода модуляционного легирования, когда донорные примеси располагаются в слое, пространственно отделённом от области проводимости.
Эффективная масса электронов обратно пропорциональна подвижности. В материалах с лёгкой зонной структурой (узкой шириной запрещённой зоны и высоким уровнем симметрии) электроны обладают малыми значениями эффективной массы, что повышает их подвижность.
Кристаллическое совершенство напрямую влияет на вероятность столкновений. В высококачественных монокристаллах и в гетероэпитаксиальных структурах подвижность на порядки выше, чем в поликристаллах, где рассеяние на границах зёрен значительно ограничивает транспорт.
Высокочастотная электроника Чем выше подвижность, тем быстрее электроны откликаются на переменные электрические поля, что определяет граничную частоту работы транзисторов. Именно поэтому GaAs и InP применяются в СВЧ- и миллиметровом диапазоне.
Квантовые и низкоразмерные устройства Высокая подвижность в 2DEG позволяет наблюдать квантовый эффект Холла, эффекты сильной локализации и другие явления мезоскопической физики.
Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) В таких структурах используется модуляционное легирование, что обеспечивает формирование каналов с рекордной подвижностью и высокой скоростью переключения. Эти приборы незаменимы в спутниковой связи, радиолокации и системах 5G.
Оптоэлектроника В приборах, где требуется эффективный перенос носителей (лазеры, фотодиоды, солнечные элементы), высокая подвижность играет ключевую роль для уменьшения времени отклика и повышения квантового выхода.