Эффект поля – это изменение концентрации свободных носителей (а, следовательно, проводимости) в приповерхностном слое полупроводника под воздействием внешнего электрического поля.
Рассмотрим, как будет меняться концентрация свободных носителей в приповерхностной области полупроводника, когда вблизи этой поверхности создается электрическое поле. Для примера будем считать, что электрическое поле создается заряженной металлической плоскостью с поверхностной плотностью зарядов σ. Поскольку силовые линии электрического поля должны быть замкнуты, то на поверхности полупроводника возникает равный по величине, но противоположный по знаку электрический заряд. В зависимости от знака заряда на металлической плоскости (положительной или отрицательной) экранирующий это поле заряд в приповерхностной области полупроводника также будет различных знаков. На рисунке 1 приведены ситуации положительно и отрицательно заряженной плоскости. *
Рис. №1
Случай, когда в приповерхностной области возрастает концентрация свободных носителей, носит название обогащение, а когда в приповерхностной области уменьшается концентрация свободных носителей - обеднение. *
Если концентрация доноров в объеме
полупроводника ND=1015см-3, то среднее
расстояние между свободными электронами (и ионизированными донорами) в
квазинейтральном объеме полупроводника будет равно а = ND-1/3
= 10-5 см = 1000 Å. При поверхностной плотности заряда = 1012
см-2 толщина слоя пространственного заряда ионизованных доноров
будет равна 1011 / 1015 = 10-4 см или 1
микрон. Отсюда следует, что электрическое поле в полупроводник может
проникать на значительные расстояния. *
При наличии внешнего поля приповерхностная область в полупроводнике не будет электронейтральной. Заряд, возникший в этой области, обычно называется пространственным зарядом, а сама область - областью пространственного заряда (ОПЗ). Наличие электрического поля E(z) в ОПЗ меняет величину потенциальной энергии электрона. Если поле направлено от поверхности вглубь полупроводника, то электроны в этом случае будут иметь минимальную энергию у поверхности, что соответствует наличию потенциальной ямы для электронов там же.
Изменение потенциальной энергии электронов:
где U(∞)-потенциальная энергия электронов в квазинейтральном объеме полупроводника. Поскольку на дне зоны проводимости кинетическая энергия электронов равна нулю (E = ћ2k2/2m*), то изменение потенциальной энергии по координате должно точно так же изменить энергетическое положение дна зоны проводимости Ec, (а соответственно и вершины валентной зоны Ev.) На зонных диаграммах это выражается в изгибе энергетических зон. *
Величина разности потенциалов между квазинейтральным объемом и произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического потенциала:
Значение электростатического потенциала на поверхности полупроводника называется поверхностным потенциалом и обозначается символом ψs. *
Знак поверхностного потенциала ψs соответствует знаку заряда на металлическом электроде, вызывающего изгиб энергетических зон.
ψs > 0, зоны изогнуты вниз, ψs < 0, зоны изогнуты вверх (рис. №2).
Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электрическом поле, нужно менять либо удельную проводимость полупроводникового слоя, либо его площадь. На практике используется и тот, и другой способ, причем в основе обоих способов лежит эффект поля. Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами. Проводящий слой, по которому проходит рабочий ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисторов — канальные транзисторы.
Каналы могут быть приповерхностными и объемными. Приповерхностные каналы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля. Объемные же каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем. Оба варианта каналов, а также способы их использования показаны на рис. №3.
Рис
№3. Принцип использования каналов в униполярных транзисторах: |