Общие сведения об эффекте поля
Эффектом поля называют изменение концентрации носителей (а, значит, и проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Слой с повышенной (по сравнению с объемом) концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией — обедненным.
Пусть между металлической пластинкой и полупроводником, разделенными диэлектриком (например, воздухом) задано напряжение U (рис. 2.13). Ясно, что в системе МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) протекание тока невозможно. Поэтому такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводниковая. На этой обкладке будет наведен такой же заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредоточивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.
| Электрическое поле, созданное напряжением U, распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике Eд постоянное (так как в диэлектрике нет объемных зарядов), а поле в полупроводнике заведомо непостоянное, так как заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника. Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложен-ного напряжения. При отрицательной полярности (рис. 2.13) наведенный заряд | 
Рис. 2.13. Эффект поля в структуре
металл-диэлектрик-полупроводник
(φs – поверхностный потенциал)
|
положительный. В дырочном (1 случай) полупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, а в электронном (2 случай) полупроводнике — ионами доноров, от которых оттолкнулись электроны, компенсировавшие их заряд. Значит, в первом случае происходит обогащение, а во втором — обеднение приповерхностного слоя основными носителями.
При положительной полярности напряжения, наоборот, в электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами, а в дырочном — обеднение дырками и «обнажение» отрицательных акцепторных ионов.
Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называют длиной Дебая или дебаевской длиной, а протяженность неподвижных ионных зарядов — глубиной обедненного слоя.
Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примеси, а значит, и концентрация основных носителей. Иначе говоря, тонкие слои свойственны низкоомным полупроводникам, а толстые — высокоомным.
Если принять потенциал в объеме полупроводника равным нулю, то потенциал поверхности будет отличен от нуля благодаря наличию зарядов между объемом и поверхностью.
Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают через (φs).
Следует заметить, что:
в отсутствие внешнего напряжения поверхностный потенциал не падает до нуля, а имеет конечную равновесную величину (φs0). Она обусловлена наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны на сравнительно длительное время. Еще одним фактором, влияющим на величину φs0, является контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником.
Внешнее напряжение, необходимое для того, чтобы скомпенсировать равновесный поверхностный потенциал, называется напряжением спрямления зон и обозначается через UСЗ.
Как уже отмечалось, электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике возрастает при уменьшении расстояния d. Расстояние d не может быть произвольно малым: при условии d < 10 нм диэлектрик становится проницаемым для подвижных носителей благодаря туннельному эффекту. При этом структура МДП перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями через диэлектрик вызывает протекание тока, а значит, нарушает равновесное состояние.
Распределение потенциала в области объемного заряда можно оценить с помощью одномерного уравнения Пуассона
(2.38)
где 
- потенциал;
λ — плотность заряда;
ε0— электрическая постоянная;
ε — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.
В общем случае плотность заряда в полупроводнике записывается следующим образом:
где λ — плотность заряда;
и 
— концентрации ионизированных примесей.
Концентрации свободных носителей связаны с величиной электростатического потенциала φE.
Концентрация n выразится через φЕ следующим образом:
(2.39)
где φE - электростатический потенциал;
φТ ≡ ЕТ = kT — температурный потенциал
Концентрация р:
(2.40)
Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 1293;