Эффект поля.
Наличие у реальных кристаллов полупроводника конечных размеров приводит к обрыву кристаллической решетки на поверхности. Т.е. в поверхностном слое кристалла не все ковалентные связи будут завершены. Это означает, что поверхность кристалла полупроводника обладает проводимостью типа p.
Такие поверхностные уровни называются уровнями Тамма.
Эффектом поля называется изменение концентрации носителей заряда в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля.
Слой с повышенной концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной концентрацией – обедненным.
Пусть между металлом и полупроводником, разделенными диэлектриком, задано напряжение U. (Рис. 1)
Очевидно, что в системе МДП протекание тока невозможно. Поэтому такая система равновесна и представляет собой конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводник. На этой обкладке будет наведен такой же заряд, как и на металлической. Но в отличии от металла, заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь кристалла.
Электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике постоянное, а поле в полупроводнике непостоянное, т.к. заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника.
Рис.1 Эффект поля в структуре металл-диэлектрик-полупроводник.
Знак заряда в полупроводнике зависит от полярности приложенного напряжения. При отрицательной полярности 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. Т.о. в первом случае происходит обогащение, а во втором – обеднение приповерхностного слоя основными носителями заряда.
При положительной полярности напряжения, наоборот, в в электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами - основными носителями заряд, а в дырочном – обеднение дырками и обнажение отрицательных акцепторных ионов.
Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называется длиной Дебая, в протяженность неподвижных ионных зарядов – глубиной обедненного слоя. Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примеси, т.е. концентрация основных носителей заряда. Т.о., 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. Это обусловлено наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны.
Учитывая, что электрическое поле распределяется между диэлектриком и полупроводником, поле в диэлектрике возрастает при уменьшении его толщины. При этом может наступить пробой диэлектрика. Но даже в вакууме, где пробой невозможен, толщина диэлектрика не может быть бесконечно малой. При d ≤ 10 нм диэлектрик становится проницаемым для подвижных носителей заряда благодаря туннельному эффекту (туннельный эффект обусловлен волновой природой электрона – электрон может преодолеть потенциальный барьер не только при энергии, превышающей высоту барьера, но и при гораздо меньших энергиях, путем «просачивания» сквозь барьер, если он очень тонкий). При этом МДП структура перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями заряда через диэлектрик вызывает протекание тока, т.е. нарушается равновесие. Наличие тока приводит к уменьшению зарядов на обкладках конденсатора вплоть до их полного исчезновения при соприкосновении металла с полупроводником, т.е. в системе протекает обычный ток проводимости.
При больших значениях внешнего напряжения, приложенного к системе МДП, основные носители продолжают отталкиваться (обедненный слой расширяется). Одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители заряда. Когда нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд оставшихся основных, изменится тип проводимости приповерхностного слоя, такой слой называется инверсионным слоем.