高二物理競 外電場中的半導體 賽課件

外電場中的半導體

外電場中的半導體表面空間電荷區(qū)的形成：

無外電場時，半導體的空間電荷為零。施加外電場，在半導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。由于空間電荷屏蔽了外電場，載流子的重新分布只在表面進行。(如圖8.1)MN型半導體圖8.1半導體中施加電場的電路圖

半導體表面的電子濃度增加（圖8.2a），產(chǎn)生負空間電荷（圖8.2b），負電荷向體內(nèi)(x方向)逐漸減少。nnsn0(a)電子濃度

導致：

s

(b)空間電荷分布

空間電荷形成電場(表面處最大)(圖8.2c)，改變了電子的勢能)(圖8.2e)

，使半導體能帶發(fā)生變化。電子勢能的變化量為：(c)電場分布

VsV(d)接觸電場靜電勢分布

UsU(e)電子勢能分布

由于半導體處于熱平衡態(tài)，費米能級不變。則費米能級和能帶之間的距離發(fā)生變化：

改變了電子的勢能，使半導體能帶發(fā)生變化：(圖8.2f)：反映了半導體中不同位置載流子分布的變化。能級與空間位置r有關，任何一處Eg不變，與r無關EECEFEdEV(f)能帶結構變化

非簡并簡并圖8.2施加外電場時的半導體表面nnsn0(a)電子濃度

(c)電場分布

VsV(d)接觸電場靜電勢分布

UsU(e)電子勢能分布

EECEFEdEV(f)能帶結構變化

s

(b)空間電荷分布

nn0(a)電子濃度分布圖8.3改變外電場方向時的半導體表面(c)電場分布

VsV(d)接觸電場靜電勢分布

UsU(e)電子勢能分布

EECEFEdEV(f)能帶結構變化

若外場方向改變：沿x負向(b)

s(b)空間電荷分布

在這個I層附近導電類型發(fā)生變化的半導體區(qū)域稱為物理P－N結。去掉外電場，這個物理P－N結則消失。外電場強度足夠大時，在半導體表面的導電類型發(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，則半導體內(nèi)距表面某處一定存在一個本征區(qū)(I層)，此處的費米能級位于禁帶中間，即：EECEFEdEV(f)能帶結構變化

Ei反型層。以圖8.3為例，分析在一維N型非簡并半導體中外電場的影響：EECEFEdEV(f)能帶結構變化

Ei外電場E與空間電荷ρ之間的關系為：(泊松方程)設半導體體內(nèi)電子濃度為則由于半導體是非簡并的，則表面電子濃度為：(8.6)U：電子勢能變化量(8.5)將展開成級數(shù)并只取第一項，由(8.7)式得：討論U<<kT情況:(弱外電場，能帶變化小)，(Ld：德拜屏蔽長度)，代入(8.5)式：半導體表面層中的空間電荷由電離施主和自由電子決定。設施主雜質(zhì)全部電離，即，表面層中的空間電荷濃度為：(8.7)(8.8)表面層電勢為：(8.11)電場強度為：電子勢能為：表面空間電荷密度為：Ld：德拜屏蔽長度，

半導體在外電場作用下，表面層的能帶發(fā)生彎曲，電子和空穴濃度發(fā)