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。

（4）热载流子效应在石墨烯中的表现：

石墨烯可以对光产生不同寻常的反应，在室温和普通光照射下，就可以发生热载流子效应，产生电流。这一发现不仅为石墨烯再添新奇属性，更有希望使其在太阳能电池、夜视系统、天文望远镜及半导体传感器等应用领域发挥作用。热载流子效应并不新奇，但通常情况下，需要在接近绝对零度或在极强的激光照射下才会发生，但石墨烯却表现出在室温和普通光下就可以产生热载流子效应的性能，这让人们对石墨烯未来的应用产生了巨大的想像空间。当光照在石墨烯上时，可以产生两个具有不同电气特性的区域，进而出现温差，产生电流。石墨烯在激光照射加热不一致时，携带电流的电子被加热，而晶格中的碳原子核保持低温。正是由于石墨烯内部的温差，产生了电流。这种不同寻常的机制就称为热载流子效应。