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文檔簡介
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),產生負空間電荷(圖8.2b),負電荷向體內(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,產生反型層。如圖(f)所示產生反型層,則半導體內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)
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