В физике эффект поля относится к модуляции электропроводности материала посредством приложения внешнего электрического поля .
В металле плотность электронов, которые реагируют на приложенные поля, настолько велика, что внешнее электрическое поле может проникать в материал только на очень короткое расстояние. Однако в полупроводнике более низкая плотность электронов (и, возможно, дырок ), которые могут реагировать на приложенное поле, достаточно мала, чтобы поле могло 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 , особенно MOSFET , JFET.и MESFET . [1]
Поверхностная проводимость и изгиб ленты [ править ]
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. Типичная обработка таких эффектов основана на диаграмме изгиба полосы, показывающей положение по энергии краев полосы как функцию глубины в материале.
Пример диаграммы изгиба ленты показан на рисунке. Для удобства энергия выражается в эВ, а напряжение - в вольтах, что позволяет избежать необходимости в множителе 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 , двухконтактная структура, состоящая из металлического контакта затвора , полупроводникового тела (такого как кремний) с контактом тела и промежуточного изолирующего слоя (такого как диоксид кремния , следовательно, обозначение O). На левых панелях показан самый низкий энергетический уровень зоны проводимости и самый высокий энергетический уровень валентной зоны. Эти уровни «изогнуты» приложение положительного напряжения V . Условно показана энергия электронов, поэтому положительное напряжение, проникающее через поверхность, снижает край проводимости. Пунктирная линия показывает ситуацию с заполнением: ниже этого уровня Ферми состояния с большей вероятностью будут заняты, зона проводимости перемещается ближе к уровню Ферми, что указывает на то, что в проводящей зоне вблизи изолятора находится больше электронов.
Массовый регион [ править ]
Пример на рисунке показывает, что уровень Ферми в массивном материале за пределами диапазона приложенного поля расположен близко к краю валентной зоны. Эта позиция для уровня заполнения настраивается путем введения примесей в полупроводник. В этом случае примеси являются так называемыми акцепторами, 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 дырки.в валентной зоне. Зарядовая нейтральность преобладает в бесполевой области, потому что отрицательный ион-акцептор создает положительный недостаток в материале хозяина: 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 [ править ]
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, размещенный на левой стороне изолятора, снижает энергию края валентной зоны. Следовательно, эти состояния полностью заполнены до так называемой глубины истощения, когда заполненность масс 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 ( обедненный слой). 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 [ править ]
Край зоны проводимости также опускается, увеличивая электронное заполнение этих состояний, но при низких напряжениях это увеличение несущественно. 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 инверсионным слоем, потому что электроны имеют противоположную полярность по отношению к дыркам, изначально заполняющим полупроводник. Это появление электронного заряда в инверсионном слое становится очень значительным при прикладываемом порогенапряжение, и как только приложенное напряжение превышает это значение, нейтральность заряда достигается почти полностью за счет добавления электронов к инверсионному слою, а не за счет увеличения заряда акцепторных ионов за счет расширения обедненного слоя. Дальнейшее проникновение поля в полупроводник в этот момент прекращается, поскольку концентрация электронов экспоненциально возрастает с изгибом полосы сверх порогового напряжения, эффективно закрепляя глубину обедненного слоя на ее значении при пороговых напряжениях.
Ссылки [ править ]
- ^ Аббревиатуры стенд для M Etal O Xide S emiconductor Р IELD Е ffect Т ransistor, J помазание F IELD E ffect T ransistor и ME тал S emiconductor Р IELD Е ffect Т ransistor. Обсуждение см., Например, в MK Achuthan KN Bhat (2007). «Глава 10: Металлические полупроводниковые контакты: Металлические полупроводники и переходные полевые транзисторы» . Основы полупроводниковых приборов. Тата МакГроу-Хилл. стр. 475 и далее . ISBN 978-0070612204.
Эта статья включает материалы из статьи Citizendium « Эффект поля # Эффект поля », которая находится под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, но не GFDL .
