Efekt pola (półprzewodnik)

W przypadku innych zastosowań zobacz Efekt pola .

Efekt pola : Panele górne: Przyłożone napięcie wygina pasma, usuwając dziury z powierzchni ( schemat pasmowy , lewy). Ładunek wywołujący zginanie jest równoważony przez warstwę ujemnego ładunku jonów akceptorowych (po prawej). Dolny panel: Większe przyłożone napięcie dodatkowo wyczerpuje dziury, ale pasmo przewodnictwa obniża energię na tyle, aby wypełnić warstwę inwersyjną.

W fizyce efekt pola odnosi się do modulacji przewodności elektrycznej materiału przez zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego .

W metalu gęstość elektronów reagująca na przyłożone pola jest tak duża, że ​​zewnętrzne pole elektryczne może wniknąć w materiał tylko na bardzo niewielką odległość. Jednak w półprzewodniku mniejsza gęstość elektronów (i prawdopodobnie dziur ), które mogą reagować na przyłożone pole, jest wystarczająco mała, aby pole mogło wniknąć dość głęboko w materiał. To przenikanie pola zmienia przewodnictwo półprzewodnika w pobliżu jego powierzchni i nazywa się efektem pola . Efekt pola leży u podstaw działania diody Schottky'ego i tranzystorów polowych , zwłaszcza MOSFET , JFET i MESFET .

Przewodnictwo powierzchniowe i zginanie pasm

Zmiana przewodnictwa powierzchniowego występuje, ponieważ przyłożone pole zmienia poziomy energii dostępne dla elektronów na znacznych głębokościach od powierzchni, a to z kolei zmienia obłożenie poziomów energii w obszarze powierzchni. Typowe traktowanie takich efektów opiera się na diagramie zginania pasm , pokazującym pozycje energii krawędzi pasm w funkcji głębokości w materiale.

Przykładowy schemat zginania pasma pokazano na rysunku. Dla wygody energię wyraża się w eV , a napięcie w woltach, unikając potrzeby stosowania współczynnika q dla ładunku elementarnego . Na rysunku pokazano strukturę dwuwarstwową, składającą się z izolatora jako warstwy lewej i półprzewodnika jako warstwy prawej. Przykładem takiej konstrukcji jest kondensator MOS , struktura z dwoma zaciskami składająca się z metalowego styku bramki , korpusu półprzewodnikowego (takiego jak krzem) ze stykiem korpusu oraz pośredniej warstwy izolacyjnej (takiej jak dwutlenek krzemu , stąd nazwa oznaczenie O ). Lewe panele pokazują najniższy poziom energii pasma przewodnictwa i najwyższy poziom energii pasma walencyjnego . Poziomy te są „wyginane” przez przyłożenie dodatniego napięcia V . Zgodnie z konwencją pokazano energię elektronów, więc dodatnie napięcie penetrujące powierzchnię obniża krawędź przewodzenia. Linia przerywana przedstawia sytuację zajętości: poniżej tego poziomu Fermiego prawdopodobieństwo zajętości stanów jest większe, pasmo przewodnictwa zbliża się do poziomu Fermiego, co wskazuje, że więcej elektronów znajduje się w paśmie przewodzącym w pobliżu izolatora.

Region masowy

Przykład na rysunku pokazuje poziom Fermiego w materiale sypkim poza zakresem przyłożonego pola, leżący blisko krawędzi pasma walencyjnego. Ta pozycja dla poziomu zajętości jest ustalana przez wprowadzenie zanieczyszczeń do półprzewodnika. W tym przypadku zanieczyszczeniami są tzw. akceptory , które pochłaniają elektrony z pasma walencyjnego stając się ujemnie naładowanymi, nieruchomymi jonami osadzonymi w materiale półprzewodnikowym. Usunięte elektrony są pobierane z poziomów pasma walencyjnego, pozostawiając wolne miejsca lub dziury w paśmie walencyjnym. Neutralność ładunku przeważa w obszarze wolnym od pola, ponieważ ujemny jon akceptorowy tworzy dodatni niedobór w materiale macierzystym: dziura to brak elektronu, zachowuje się jak ładunek dodatni. Tam, gdzie nie ma pola, uzyskuje się neutralność, ponieważ ujemne jony akceptorowe dokładnie równoważą dodatnie dziury.

Obszar powierzchni

Następnie opisano zginanie taśmy. Ładunek dodatni umieszcza się na lewej stronie izolatora (na przykład za pomocą metalowej elektrody „bramkowej”). W izolatorze nie ma ładunków, więc pole elektryczne jest stałe, co prowadzi do liniowej zmiany napięcia w tym materiale. W rezultacie pasma przewodnictwa i walencyjne izolatora są zatem liniami prostymi na rysunku, oddzielonymi dużą przerwą energetyczną izolatora.

W półprzewodniku przy mniejszym napięciu pokazanym na górnym panelu ładunek dodatni umieszczony po lewej stronie izolatora obniża energię krawędzi pasma walencyjnego. W konsekwencji stany te są w pełni zajęte aż do tak zwanej głębokości wyczerpania , gdzie ponowne zajęcie masowe, ponieważ pole nie może dalej penetrować. Ponieważ poziomy pasm walencyjnych w pobliżu powierzchni są całkowicie zajęte z powodu obniżenia tych poziomów, w pobliżu powierzchni obecne są tylko nieruchome ładunki ujemnych jonów akceptorowych, które stają się obszarem izolującym elektrycznie bez dziur (warstwa zubożona ) . Zatem penetracja pola zostaje zatrzymana, gdy odsłonięty ujemny ładunek jonu akceptorowego równoważy ładunek dodatni umieszczony na powierzchni izolatora: warstwa zubożona dostosowuje swoją głębokość na tyle, aby ładunek ujemny jonu akceptorowego netto zrównoważył ładunek dodatni na bramce.

Inwersja

Krawędź pasma przewodnictwa również jest obniżona, zwiększając zajętość elektronową tych stanów, ale przy niskich napięciach wzrost ten nie jest znaczący. Jednak przy większych przyłożonych napięciach, podobnie jak w dolnym panelu, krawędź pasma przewodnictwa jest obniżana na tyle, aby spowodować znaczną obsadę tych poziomów w wąskiej warstwie powierzchniowej, zwanej warstwą inwersyjną, ponieważ elektrony mają przeciwną polaryzację do dziur pierwotnie wypełniających półprzewodnikowy. Ten początek ładunku elektronów w warstwie inwersyjnej staje się bardzo znaczący przy przyłożonym progowym , a gdy przyłożone napięcie przekroczy tę wartość, neutralność ładunku jest osiągana prawie całkowicie przez dodanie elektronów do warstwy inwersyjnej, a nie przez zwiększenie ładunku jonu akceptorowego przez ekspansja warstwy zubożonej. Dalsza penetracja pola do półprzewodnika zostaje zatrzymana w tym momencie, ponieważ gęstość elektronów wzrasta wykładniczo wraz z wyginaniem pasma poza napięciem progowym, skutecznie utrzymując głębokość warstwy zubożonej na jej wartości przy napięciach progowych.

Ten artykuł zawiera materiał z artykułu Citizendium „ Field effect#Field effect ”, który jest objęty licencją Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, ale nie GFDL .