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外電場(chǎng)中的半導(dǎo)體
外電場(chǎng)中的半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的形成:
無(wú)外電場(chǎng)時(shí),半導(dǎo)體的空間電荷為零。施加外電場(chǎng),在半導(dǎo)體中引起載流子的重新分布,產(chǎn)生電荷密度為
(r)的空間電荷,E(r)的電場(chǎng)。由于空間電荷屏蔽了外電場(chǎng),載流子的重新分布只在表面進(jìn)行。(如圖8.1)MN型半導(dǎo)體圖8.1半導(dǎo)體中施加電場(chǎng)的電路圖
半導(dǎo)體表面的電子濃度增加(圖8.2a),產(chǎn)生負(fù)空間電荷(圖8.2b),負(fù)電荷向體內(nèi)(x方向)逐漸減少。nnsn0(a)電子濃度
導(dǎo)致:
s
(b)空間電荷分布
空間電荷形成電場(chǎng)(表面處最大)(圖8.2c),改變了電子的勢(shì)能)(圖8.2e)
,使半導(dǎo)體能帶發(fā)生變化。電子勢(shì)能的變化量為:(c)電場(chǎng)分布
VsV(d)接觸電場(chǎng)靜電勢(shì)分布
UsU(e)電子勢(shì)能分布
由于半導(dǎo)體處于熱平衡態(tài),費(fèi)米能級(jí)不變。則費(fèi)米能級(jí)和能帶之間的距離發(fā)生變化:
改變了電子的勢(shì)能,使半導(dǎo)體能帶發(fā)生變化:(圖8.2f):反映了半導(dǎo)體中不同位置載流子分布的變化。能級(jí)與空間位置r有關(guān),任何一處Eg不變,與r無(wú)關(guān)EECEFEdEV(f)能帶結(jié)構(gòu)變化
非簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并圖8.2施加外電場(chǎng)時(shí)的半導(dǎo)體表面nnsn0(a)電子濃度
(c)電場(chǎng)分布
VsV(d)接觸電場(chǎng)靜電勢(shì)分布
UsU(e)電子勢(shì)能分布
EECEFEdEV(f)能帶結(jié)構(gòu)變化
s
(b)空間電荷分布
nn0(a)電子濃度分布圖8.3改變外電場(chǎng)方向時(shí)的半導(dǎo)體表面(c)電場(chǎng)分布
VsV(d)接觸電場(chǎng)靜電勢(shì)分布
UsU(e)電子勢(shì)能分布
EECEFEdEV(f)能帶結(jié)構(gòu)變化
若外場(chǎng)方向改變:沿x負(fù)向(b)
s(b)空間電荷分布
在這個(gè)I層附近導(dǎo)電類型發(fā)生變化的半導(dǎo)體區(qū)域稱為物理P-N結(jié)。去掉外電場(chǎng),這個(gè)物理P-N結(jié)則消失。外電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí),在半導(dǎo)體表面的導(dǎo)電類型發(fā)生變化:N型變?yōu)镻型,產(chǎn)生反型層。如圖(f)所示產(chǎn)生反型層,則半導(dǎo)體內(nèi)距表面某處一定存在一個(gè)本征區(qū)(I層),此處的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中間,即:EECEFEdEV(f)能帶結(jié)構(gòu)變化
Ei反型層。以圖8.3為例,分析在一維N型非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中外電場(chǎng)的影響:EECEFEdEV(f)能帶結(jié)構(gòu)變化
Ei外電場(chǎng)E與空間電荷ρ之間的關(guān)系為:(泊松方程)設(shè)半導(dǎo)體體內(nèi)電子濃度為則由于半導(dǎo)體是非簡(jiǎn)并的,則表面電子濃度為:(8.6)U:電子勢(shì)能變化量(8.5)將展開(kāi)成級(jí)數(shù)并只取第一項(xiàng),由(8.7)式得:討論U<<kT情況:(弱外電場(chǎng),能帶變化小),(Ld:德拜屏蔽長(zhǎng)度),代入(8.5)式:半導(dǎo)體表面層中的空間電荷由電離施主和自由電子決定。設(shè)施主雜質(zhì)全部電離,即,表面層中的空間電荷濃度為:(8.7)(8.8)表面層電勢(shì)為:(8.11)電場(chǎng)強(qiáng)度為:電子勢(shì)能為:表面空間電荷密度為:Ld:德拜屏蔽長(zhǎng)度,
半導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下,表面層的能帶發(fā)生彎曲,電子和空穴濃度發(fā)
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