Эффект поля (полупроводник)
В физике под эффектом поля понимают модуляцию электропроводности материала путем приложения внешнего электрического поля .
В металле плотность электронов, реагирующая на приложенные поля, настолько велика, что внешнее электрическое поле может проникнуть в материал лишь на очень небольшое расстояние. Однако в полупроводнике более низкая плотность электронов (и, возможно, дырок ), которые могут реагировать на приложенное поле, достаточно мала, поэтому поле может проникать довольно далеко в материал. Это проникновение поля изменяет проводимость полупроводника вблизи его поверхности и называется эффектом поля . Эффект поля лежит в основе работы диода Шоттки и полевых транзисторов , в частности MOSFET , JFET и MESFET . [1]
Поверхностная проводимость и изгиб зон
[ редактировать ]Изменение поверхностной проводимости происходит потому, что приложенное поле изменяет энергетические уровни, доступные электронам на значительной глубине от поверхности, а это, в свою очередь, изменяет заселенность энергетических уровней в приповерхностной области. Типичная трактовка таких эффектов основана на диаграмме изгиба полос, показывающей энергетическое положение краев полос в зависимости от глубины в материале.
Примерная схема изгиба ленты представлена на рисунке. Для удобства энергия выражается в эВ , а напряжение — в вольтах, что позволяет избежать необходимости использования коэффициента q для элементарного заряда . На рисунке показана двухслойная структура, состоящая из изолятора в качестве левого слоя и полупроводника в качестве правого слоя. Примером такой структуры является МОП-конденсатор , двухполюсная структура, состоящая из металлического контакта затвора , полупроводникового тела (например, кремния) с контактом тела и промежуточного изолирующего слоя (например, диоксида кремния , отсюда и обозначение О ). Левые панели показывают самый низкий энергетический уровень зоны проводимости и самый высокий энергетический уровень валентной зоны . за счет приложения положительного напряжения V. Эти уровни «изогнуты » Условно показана энергия электронов, поэтому положительное напряжение, проникающее через поверхность, снижает край проводимости. Пунктирная линия изображает ситуацию занятости: ниже этого уровня Ферми состояния с большей вероятностью будут заняты, зона проводимости приближается к уровню Ферми, что указывает на то, что больше электронов находится в проводящей зоне вблизи изолятора.
Массовый регион
[ редактировать ]Пример на рисунке показывает, что уровень Ферми в объемном материале за пределами области действия приложенного поля лежит близко к краю валентной зоны. Такое положение уровня занятости обеспечивается введением примесей в полупроводник. В этом случае примеси являются так называемыми акцепторами , которые поглощают электроны из валентной зоны, превращаясь в отрицательно заряженные неподвижные ионы, внедренные в полупроводниковый материал. Удаленные электроны вытягиваются с уровней валентной зоны, оставляя вакансии или дырки в валентной зоне. Зарядовая нейтральность преобладает в свободной от поля области, поскольку отрицательный ион-акцептор создает положительный дефицит в материале-хозяине: дырка — это отсутствие электрона, он ведет себя как положительный заряд. При отсутствии поля нейтральность достигается потому, что отрицательные ионы-акцепторы точно уравновешивают положительные дырки.
Область поверхности
[ редактировать ]Далее описывается изгиб ленты. Положительный заряд помещается на левую сторону изолятора (например, с помощью металлического электрода «затвора»). В изоляторе нет зарядов, поэтому электрическое поле постоянно, что приводит к линейному изменению напряжения в этом материале. В результате зона проводимости изолятора и валентная зона на рисунке представляют собой прямые линии, разделенные большой энергетической щелью изолятора.
В полупроводнике при меньшем напряжении, показанном на верхней панели, положительный заряд, помещенный на левую грань изолятора, снижает энергию края валентной зоны. Следовательно, эти состояния полностью заполнены до так называемой глубины обеднения , где основная заселенность восстанавливается, поскольку поле не может проникнуть дальше. Поскольку уровни валентной зоны вблизи поверхности полностью заняты из-за понижения этих уровней, вблизи поверхности присутствуют только неподвижные отрицательные заряды ионов-акцепторов, которые становятся электроизолирующей областью без дырок ( слой обеднения ). Таким образом, проникновение поля прекращается, когда открытый отрицательный заряд иона акцептора уравновешивает положительный заряд, помещенный на поверхность изолятора: истощающий слой регулирует свою глубину настолько, чтобы чистый отрицательный заряд иона акцептора уравновешивал положительный заряд на затворе.
Инверсия
[ редактировать ]Край зоны проводимости также опускается, увеличивая заселенность этих состояний электронами, но при низких напряжениях это увеличение незначительно. Однако при более высоких приложенных напряжениях, как на нижней панели, край зоны проводимости опускается настолько, что вызывает значительное заселение этих уровней в узком поверхностном слое, называемом инверсионным слоем, поскольку электроны противоположны по полярности дыркам, первоначально населявшим зону проводимости. полупроводник. Это возникновение заряда электронов в инверсионном слое становится очень значительным при приложенном пороговом напряжении, и как только приложенное напряжение превышает это значение, нейтральность заряда достигается почти полностью за счет добавления электронов в инверсионный слой, а не за счет увеличения заряда акцепторных ионов за счет расширение истощенного слоя. Дальнейшее проникновение поля в полупроводник в этот момент прекращается, поскольку плотность электронов экспоненциально увеличивается с изгибом зоны за пороговым напряжением, эффективно фиксируя глубину обедненного слоя на ее значении при пороговых напряжениях.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Акронимы « - металл оксид - полупроводниковый » полевой « , « переходной полевой » транзистор полупроводниковый полевой и металл - означают » транзистор . транзистор Обсуждение см., например, МК Ачутан К.Н. Бхат (2007). «Глава 10: Металло-полупроводниковые контакты: Металл-полупроводниковые и переходные полевые транзисторы» . Основы полупроводниковых приборов . Тата МакГроу-Хилл. стр. 475 и далее . ISBN 978-0070612204 .
Эта статья включает в себя материал из статьи Citizendium « Эффект поля#Эффект поля », которая лицензируется по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License , но не по GFDL .