1.13. Эффект электрического поля

Под действие электрического поля концентрация носителей в приповерхностном слое полупроводника может изменяться. Это явление получило название эффекта электрического поля (эффект поля).

Рассмотрим подробнее, что будет происходить в полупроводнике, если к цепи металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) будет приложено внешнее напряжение (рис. 1.38). В такой цепи не может протекать ток, а, следовательно, контакт можно рассматривать как плоский конденсатор. Одна пластина его металлическая, а вторая – полупроводниковая, и на полупроводниковой пластине будет наводится такой же заряд, что и на металлической, но, в отличие от металлической, он будет распространяться вглубь полупроводника. Глубина распространения этого заряда получила название дебаевской длины (L_D). Для собственного полупроводника дебаевская длина

.

Слой с повышенной концентрацией носителей получил название обогащенного слоя. Если поменять полярность внешнего напряжения, то в собственном полупроводнике вблизи границы с диэлектриком будут накапливаться дырки. Таким образом, при любой полярности в собственном полупроводнике происходит процесс обогащения.

В примесных полупроводниках в зависимости от полярности приложенного напряжения происходит либо процесс обогащения, либо процесс обеднения основными носителями приповерхностного слоя. Рассмотрим подробнее этот случай. Для примера возьмем полупроводник n-типа и приложим к нему напряжение, полярность которого показана на рис. 1.39. В этом случае электроны «подтягиваются» к поверхности полупроводника, обогащая приповерхностный слой основными носителями. Наличие объемного заряда приводит к искривлению энергетических зон, создавая поверхностный потенциал _s. В этом случае дебаевская длина может быть найдена как

,

где N_д – концентрация донорной примеси.

Так как N_д >> n_i, то дебаевская длина в примесных полупроводниках всегда меньше, чем в собственных и составляет сотые доли мкм.

Если изменим полярность приложенного напряжения (рис. 1.40), то электроны будут отталкиваться от поверхности полупроводника, оставляя неподвижные ионы донора , а, следовательно, получится приповерхностный слой, обедненный основными носителями и имеющий нескомпенсированный объемный заряд со знаком плюс. Величина проникновения этого заряда вглубь кристалла называется глубиной обедненного слоя и обозначается l_о. Эта величина может быть найдена аналогично дебаевской длине, но вместо мы подставляем значение поверхностного потенциала

.

Так как зависит от внешнего напряжения, то l_о, в отличие от l_д, определяется не только свойствами материала, но еще и напряжением.

С увеличением внешнего напряжения глубина обедненного слоя растет, количество основных носителей уменьшается, а количество неосновных носителей возрастает за счет подтягивания дырок к приповерхностному слою и при некотором внешнем напряжении концентрация неосновных носителей становится больше, чем основных, т.е. образуется в n-полупро-воднике инверсный слой (см. рис. 1.41). Образование инверсного слоя нашло применение в полевых транзисторах с индуцируемым каналом, который подробно будет рассмотрен в следующих лекциях.