10. Эффект поля.

Эффектом поля называют изменение концентрации носителей, а значит проводимости в приповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля.

Слой с повышенной (по сравнению с объемом) концентрацией основных носителей называют обогащенным, а слой с пониженной их концентрацией – обедненным.

Сущность эффекта. Пусть между металлической пластинкой и полупроводником, разделенными диэлектриком (например, воздухом), задано напряжение (рис. 1.7).

Ясно, что в системе металл-диэлектрик-полупроводника (МДП) протекание тока невозможно. Поэтому такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладок полупроводниковая. На этой обкладке будет наведен такой же заряд, как и на металлической. Однако в отличие от металла заряд в полупроводнике не сосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние в глубь полупроводника.

Электрическое поле, созданное напряжением , распределяется между диэлектриком и полупроводником. Поле в диэлектрике постоянное (так как в диэлектрике нет объемных зарядов), а поле в полупроводнике заведомо непостоянное, так как заряд спадает от поверхности в глубь полупроводника.

Заряд 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. Значит в первом случае происходит обогащение, а во втором случае – обеднение приповерхностного слоя основными носителями. При положительной полярности напряжения, наоборот, в электронном полупроводнике происходит обогащение приповерхностного слоя электронами, а в дырочном – обеднение дырками и "обнажение" отрицательных ионов акцепторов.

Протяженность подвижных зарядов в обогащенном слое называют длиной Дебая или дебаевской длиной. Дебаевскую длину определяют также как глубину проникновения электрического поля в полупроводник.

Протяженность неподвижных зарядов ионов называют глубиной обедненного слоя.

Обогащенные и обедненные слои оказываются тем тоньше, чем больше концентрация примеси, а значит, концентрация основных носителей, т.е. 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. Разность потенциалов между поверхностью и объемом называют поверхностным потенциалом и обозначают через (рис. 1.7).

Следует отметить, что в отсутствие внешнего напряжения поверхностный потенциал не падает до нуля, а имеет конечную равновесную величину . Она обусловлена наличием поверхностных состояний, которые способны захватывать или отдавать электроны на сравнительно длительное время. На величину влияет также контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником.

Поле в диэлектрике возрастает при уменьшении расстояния (рис.1.7) и может наступить пробой диэлектрика. При этом структура МДП перестает быть аналогом конденсатора: обмен носителями через диэлектрик вызывает протекание тока, а значит, нарушает равновесное состояние. Наличие тока приводит к уменьшению зарядов на "обкладках" вплоть до их полного исчезновения при соприкосновении металла с полупроводником, когда в системе протекает обычный ток проводимости.

Эффект поля в собственном и примесном полупроводниках. В собственном полупроводнике длина Дебая определяется как

, (1.80)

где – собственная концентрация.

Особенностью эффекта поля в примесных полупроводниках по сравнению с собственным является возможность получения как обогащенных, так и обедненных слоев.

Режим обогащения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители притягиваются к поверхности. При этом дебаевская длина имеет вид

, (1.81)

где – концентрация ионизированной примеси (донорной или акцепторной).

Поскольку , дебаевская длина значительно меньше, чем в собственном полупроводнике. Кроме того, она практически не зависит от материала. Полагая , получаем из (1.81) типичное значение . Как видим, поле проникает в примесные полупроводники на ничтожную глубину.

Если применить формулу (1.81) к металлам (хотя это не совсем правомерно), то при свойственных им огромным концентрациям свободных носителей дебаевская длина лежит в пределах десятых долей нанометра.

Режим обеднения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основные носители отталкиваются от поверхности. В этом случае поверхностный потенциал может иметь гораздо большие значения, чем в режиме обогащения. Протяженность обедненного слоя определяется как

. (1.82)

Хотя структура выражений (1.81) и (1.82) одинакова, между ними есть и существенная разница: дебаевская длина зависит только от свойств материала, тогда как протяженность обедненного слоя зависит еще и от приложенного напряжения, поскольку от него зависит потенциал . Обычно величина в несколько раз превышает величину .

С ростом напряжения основные носители продолжают отталкиваться (а обедненный слой расширяться), но одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители. Когда нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд оставшихся основных, изменится тип проводимости приповерхностного слоя. Этот случай характеризуют термином инверсия типа проводимости, а слой, образованный неосновными носителями, называют инверсионным слоем.