Эффект поля (полупроводник) - Field effect (semiconductor)

Эффект поля: Верхние панели: Приложенное напряжение изгибает полосы, оставляя отверстия на поверхности (ленточная диаграмма, оставили). Заряд, вызывающий изгиб, уравновешивается слоем отрицательного заряда акцепторного иона (справа). Нижняя панель: большее приложенное напряжение еще больше истощает дыры, но зона проводимости снижает энергию, достаточную для заполнения инверсионного слоя.

В физике полевой эффект относится к модуляции электрическая проводимость материала путем нанесения внешнего электрическое поле.

В металл, плотность электронов, которые реагируют на приложенные поля, настолько велика, что внешнее электрическое поле может проникать в материал только на очень короткое расстояние. Однако в полупроводник меньшая плотность электроны (и, возможно, дыры ), который может реагировать на приложенное поле, достаточно мал, чтобы поле могло проникать довольно далеко в материал. Это проникновение поля изменяет проводимость полупроводника вблизи его поверхности и называется полевой эффект. Эффект поля лежит в основе работы Диод Шоттки и из полевые транзисторы, в частности МОП-транзистор, то JFET и MESFET.^[1]

Поверхностная проводимость и изгиб ленты

Изменение поверхностной проводимости происходит из-за того, что приложенное поле изменяет уровни энергии, доступные для электронов, на значительную глубину от поверхности, что, в свою очередь, изменяет занятость уровней энергии в поверхностной области. Типичное лечение таких эффектов основано на диаграмма изгиба ленты показаны позиции в энергетике края полосы в зависимости от глубины материала.

Пример диаграммы изгиба ленты показан на рисунке. Для удобства энергия выражена в эВ а напряжение выражается в вольтах, что исключает необходимость в множителе q для элементарный заряд. На рисунке показана двухслойная структура, состоящая из изолятор как левый слой и полупроводник как правый слой. Примером такой конструкции является МОП конденсатор, двухполюсная конструкция из металлического ворота контакт, полупроводник тело (например, кремний) с контактом с телом и промежуточным изолирующим слоем (например, диоксид кремния, отсюда и обозначение О). На левой панели показан самый низкий уровень энергии зоны проводимости и самый высокий уровень энергии валентной зоны. Эти уровни «изгибаются» приложением положительного напряжения. V. Условно показана энергия электронов, поэтому положительное напряжение, проникающее через поверхность понижает край проводимости. Пунктирная линия показывает ситуацию с загрузкой: ниже Уровень Ферми состояния с большей вероятностью будут заняты, зона проводимости приближается к уровню Ферми, что указывает на то, что больше электронов находится в проводящей зоне около изолятора.

Объемный регион

Пример на рисунке показывает, что уровень Ферми в массивном материале за пределами диапазона приложенного поля расположен близко к краю валентной зоны. Это положение для уровня заполнения настраивается путем введения примесей в полупроводник. В этом случае примеси являются так называемыми акцепторы которые поглощают электроны из валентной зоны, становясь отрицательно заряженными, неподвижными ионами, внедренными в полупроводниковый материал. Удаленные электроны вытягиваются с уровней валентной зоны, оставляя вакансии или дыры в валентной зоне. Зарядовая нейтральность преобладает в бесполевой области, потому что отрицательный ион-акцептор создает положительный недостаток в материале-хозяине: дырка - это отсутствие электрона, она ведет себя как положительный заряд. В отсутствие поля нейтральность достигается, поскольку отрицательные ионы-акцепторы точно уравновешивают положительные дырки.

Область поверхности

Далее описывается изгиб ленты. Положительный заряд помещается на левую сторону изолятора (например, с помощью металлического электрода «затвор»). В изоляторе нет зарядов, поэтому электрическое поле постоянно, что приводит к линейному изменению напряжения в этом материале. В результате изоляторная зона проводимости и валентная зона представляют собой прямые линии на рисунке, разделенные большой энергетической щелью изолятора.

В полупроводнике при меньшем напряжении, показанном на верхней панели, положительный заряд, помещенный на левую сторону изолятора, снижает энергию края валентной зоны. Следовательно, эти состояния полностью заняты до так называемого глубина истощения где основная занятость восстанавливается, потому что поле не может проникнуть дальше. Поскольку уровни валентной зоны вблизи поверхности полностью заняты из-за понижения этих уровней, только неподвижные отрицательные заряды акцепторных ионов присутствуют вблизи поверхности, которая становится электрически изолирующей областью без дырок ( слой истощения). Таким образом, проникновение поля прекращается, когда обнаженный отрицательный заряд акцепторного иона уравновешивает положительный заряд, размещенный на поверхности изолятора: обедненный слой регулирует свою глубину достаточно, чтобы заставить чистый отрицательный заряд акцепторного иона уравновесить положительный заряд на затворе.

Инверсия

Край зоны проводимости также опускается, увеличивая электронное заполнение этих состояний, но при низких напряжениях это увеличение незначительно. Однако при более высоких приложенных напряжениях, как на нижней панели, край зоны проводимости опускается в достаточной степени, чтобы вызвать значительную заселенность этих уровней в узком поверхностном слое, называемом инверсия слой, потому что электроны противоположны по полярности дыркам, изначально заселяющим полупроводник. Это появление заряда электронов в инверсионном слое становится очень значительным при приложенном порог напряжение, 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 расширения обедненного слоя. Дальнейшее проникновение поля в полупроводник в этот момент прекращается, так как концентрация электронов экспоненциально возрастает с изгибом зон сверх порогового напряжения, эффективно закрепление глубина обедненного слоя при ее значении при пороговых напряжениях.

Рекомендации

В этой статье использованы материалы из Citizendium статья "Эффект поля # Эффект поля "под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Непортированная лицензия но не под GFDL.