1.7 Эффект внешнего поля .( режимы обеднения, инверсии, обогащения ).

Под действием внешнего электрического поля, направленного нормально к поверхности полупроводника, в приповерхностном слое изменяется концентрация

свободных носителей заряда и удельное сопротивление слоя. Это явление называется

эффектом поля. В зависимости от направления поля и его напряженности различают три

режима приповерхностного слоя: обеднение, инверсия и обогащение.

Режим обеднения характеризуется тем, что под действием поля E дырки

(основные носители) смещаются от поверхности вглубь полупроводника так, что их

концентрация у поверхности уменьшается.

Электроны (неосновные носители) притягиваются к поверхности, но их концентрация в

полупроводнике p-типа очень мала. Поэтому у поверхности образуется обедненный слой

толщиной

14

ur

ε0 E

LОБ = ,

ϑNA

где ε0 = 8,85×10-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.

Режим обеднения наблюдается при небольшой напряженности внешнего поля. При

большой напряженности внешнего электрического поля наблюдается режим инверсии.

Режим инверсии

Ему соответствует такое состояние приповерхностного слоя полупроводника, в котором

поверхностная концентрация электронов (неосновных носителей) превышает концентрацию

акцепторов. Тонкий хорошо проводящий слой n-типа с высокой концентрацией электронов и

напряженность поля в инверсном слое резко уменьшается по мере удаления от поверхности.

Расстояние

ε ε kT

LD = 02 ,

ϑ NA

где ε - диэлектрическая проницаемость полупроводника,

на котором напряженность поля уменьшается в е = 2,72 раза называется дебаевской

длиной экранирования.

При изменении направления внешнего электрического поля возникает режим обогащения,

т.к. дырки притягиваются к поверхности и образуют обогащенный слой, где их концентрация

выше концентрации акцепторов. Обогащенный слой характеризуется повышенной

проводимостью. Толщина обогащенного слоя примерно равна дебаевской длине

экранирования.

2. Контактные явления..

2.1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия. ( возникновение обедненного слоя и потенциального барьера в p-n- переходе. Координатные зависимости энергий уровней электронов в p-n- переходе.)

ЭЛЕКТРО́ННО-ДЫ́РОЧНЫЙ ПЕРЕХО́Д (p-n-переход, n-p-переход), переходная область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p .Электронно-дырочный переход является основой широкого класса твердотельных приборов для нелинейного преобразования электрических сигналов в различных устройствах электронной техники.

2.2 Электронно-дырочный переход под действием внешнего напряжения (прямое и обратное включение p-n- перехода. Вольт-амперная характеристика p-n- перехода).

Обратным напряжением (U_обр) называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом – к р-области (рис. 2.3, а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 2.3, б):

j = U_к + U_обр.

Рис. 2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а – схема включения; б – потенциальный барьер

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении U_обр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяется слой, обедненный носителями заряда, и расширяется p-n-переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал.

Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током  (I_обр)..Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током (I_обр = I_т), который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентраций в данной области около границы p-n-перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к p-n-переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу создаетэлектрический ток в объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.