Эффект поля

полупроводник физический диэлектрик дырочный

Эффектом поля называют изменение концентраций носителей (проводимости) в приповерхностном слое ПП под действием электрического поля. Слой с повышенной концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной концентрацией - обедненным. Третий режим - инверсный. Между металлической пластиной и полупроводником, разделенных воздухом (диэлектриком) приложено напряжение U. В этой системе МДП (металл - диэлектрик - полупроводник) протекание тока невозможно. Такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводник.

Рисунок 5.22 - Эффект поля в структуре металл-диэлектрик-полупровдник

На этой обкладке будет наведен по значению такой же заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.

Электрическое поле, созданное напряжением U, распределяется между диэлектрикам и полупроводником. Поле в диэлектрике ЕД 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 приложенного напряжения. При отрицательной полярности (рисунок 5.22) наведенный заряд положительный. В дырочном полупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, а в электронном 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.

LDi = 14мкм в собственном полупроводнике (кремний). Значение LD - определяется на расстоянии при котором потенциал уменьшается в е

раз, по сравнению с максимальным значением φS на поверхности (составляет несколько десятых долей вольта). В примесных полупроводниках LD<LDi меньше, чем в собственном и почти не зависит от температуры (LD = 0,04мкм). Чем больше примеси, тем меньше LD. 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 UF (от Flat Band - плоские зоны).

Как уже отмечалось, электрическое поле распределяется между диэлектрикам 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:

(5.1)

где λ - плотность заряда;

ε0 - электрическая постоянная;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

В общем случае плотность заряда в полупроводнике записывается следующим образом:

(5.2)

где NД* и Nа* - концентрации ионизированных примесей.

Концентрации свободных носителей, в правой части связаны с величиной электростатического потенциала φЕ.

Величину поверхностного потенциала можно найти из условия непрерывности электрической индукции на границе полупроводник-диэлектрик:

Интересное из раздела

Взаимодействие сигналов контроля в сети NGSDH с трактами VC-12
Телекоммуникации всегда были одной из бурно развивающихся отраслей. С момента зарождения и до нашего времени, сети электросвязи прошли через целый ряд революц ...

Цифровая обработка сигналов
Развитие телекоммуникационных сетей увеличивает роль и значение передачи дискретных сообщений в электросвязи. Целью дисциплины ТЦС является: · изложение п ...

Повышение технологичности печатного узла усилителя на ОУ
Целью данного курсового проекта является повышение технологичности печатного узла усилителя на ОУ за счет применения прогрессивных методов монтажа SMD-к ...