14.3. Область пространственного заряда на поверхности. Твердотельные полевые приборы

14.3.1. Эффект поля

Рассмотрим зонную диаграмму приповерхностной области полупроводников в равновесных условиях. Установим, 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 рис. 14.20 приведены ситуации положительно и отрицательно заряженной плоскости.

 

Рис. 14.20. Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника n‑типа при наличии вблизи поверхности заряженной металлической плоскости

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 N_D = 10¹⁵ см^-3, то среднее расстояние между свободными электронами (и ионизованными донорами) в квазинейтральном объеме полупроводника будет равно а = N_D^-1/3 = 10^-5 см = 1000 Å. При поверхностной плотности заряда σ = 10¹² см^-2 толщина слоя пространственного заряда ионизованных доноров будет равна 10¹² / 10¹⁵ = 10^-3 см, или 10 микрон. Отсюда следует, что электрическое поле в полупроводник может проникать на значительные расстояния [13, 42, 62].

Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля получило название эффекта поля.

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:

,

(14.70)

где U(∞) – потенциальная энергия электронов в квазинейтральном объеме полупроводника. Поскольку на дне зоны проводимости кинетическая энергия электронов равна нулю (k = 0, ), то изменение потенциальной энергии по координате должно точно так же изменить энергетическое положение дна зоны проводимости E_C (а соответственно и потолка валентной зоны E_V). На зонных диаграммах это выражается в изгибе энергетических зон.

Величина разности потенциалов между квазинейтральным объемом и произвольной точкой ОПЗ получила название электростатического потенциала:

.

(14.71)

Значение электростатического потенциала на поверхности полупроводника называется поверхностным потенциалом и обозначается символом y_s.

Знак поверхностного потенциала y_s соответствует знаку заряда на металлическом электроде, вызывающего изгиб энергетических зон.

При y_s > 0 зоны изогнуты вниз, при y_s < 0 зоны изогнуты вверх (рис. 14.21).

 

Рис. 14.21. Энергетические зоны на поверхности полупроводника n‑типа: а – в случае обеднения; б – в случае обогащения