전계효과(반도체)

Field effect (semiconductor)
기타 용도는 필드 효과를 참조하십시오.
필드 효과:상단 패널:인가된 전압이 밴드를 구부려 표면에서 구멍을 내립니다(밴드 다이어그램, 왼쪽).벤딩을 유도하는 전하가 음의 수용체 이온 전하 층(오른쪽)에 의해 균형을 이룹니다.하단 패널: 인가 전압이 클수록 구멍이 더 빠지지만 전도 대역은 반전층을 채울 만큼 에너지가 감소합니다.

물리학에서 전계효과란 외부 전계의 적용에 의한 물질의 전기전도율 변조를 말합니다.

금속에서, 인가장에 반응하는 전자 밀도는 매우 커서 외부 전계가 물질에 아주 가까운 거리만 침투할 수 있습니다.그러나 반도체에서는 인가된 전계에 반응할 수 있는 낮은 전자 밀도(및 가능한 구멍)가 충분히 작기 때문에 전계가 물질 안으로 상당히 멀리 침투할 수 있습니다.이 전계 침투는 표면 근처의 반도체 전도율을 변화시켜 전계 효과라고 합니다.전계 효과는 숏키 다이오드와 전계 효과 트랜지스터, 특히 MOSFET, JFET 및 MESFET의 [1]작동에 기초합니다.

표면 컨덕턴스 및 밴드 벤딩

표면 전도율의 변화는 인가된 장이 전자에 이용 가능한 에너지 레벨을 표면으로부터 상당한 깊이로 변화시키고, 그 결과 표면 영역의 에너지 레벨 점유율을 변화시키기 때문에 발생합니다.이러한 효과의 전형적인 처리는 재료에 대한 깊이의 함수로서 밴드 에지의 에너지 위치를 나타내는 밴드 벤딩 다이어그램에 기초한다.

이 그림에 밴드 벤딩 다이어그램의 예를 나타냅니다.편의상 에너지는 eV, 전압은 볼트 단위로 표시되므로 기본 전하 계수 q가 필요하지 않습니다.그림에서는 좌측층인 절연체와 우측층인 반도체로 이루어진 2층 구조를 나타내고 있다.이러한 구조의 예로는 MOS 캐패시터, 금속 게이트 접점으로 이루어진 2단자 구조, 본체 접점이 있는 반도체 본체(실리콘 등) 및 간섭 절연층(예를 들어 이산화규소 등)이 있다.왼쪽 패널은 전도 대역의 최저 에너지 레벨과 원자가 대역의 최고 에너지 레벨을 나타냅니다.이러한 레벨은 양전압 V의 적용에 의해 "굴곡"됩니다.관례상 전자의 에너지가 나타나므로 표면을 관통하는 정전압은 전도 에지를 낮춘다.점선은 점유 상황을 나타냅니다. 이 페르미 레벨 이하에서는 전도 대역이 페르미 레벨에 가까워져 절연체 근처의 전도 대역에 더 많은 전자가 있음을 나타냅니다.

벌크 영역

그림에서 예시는 적용된 필드의 범위를 벗어난 벌크 재료의 페르미 레벨이 원자가 밴드 가장자리에 가까운 위치에 있음을 보여줍니다.점유 수준에 대한 이 위치는 반도체 내에 불순물을 도입하여 배치됩니다.이 경우 불순물은 이른바 수용체이며, 원자가 대역에서 전자를 흡수하여 음전하를 띠는 고정 이온이 반도체 재료에 내장되어 있습니다.제거된 전자는 원자가 밴드 레벨에서 끌어당겨져 원자가 밴드에 공백 또는 구멍이 남습니다.전하 중성성은 음의 수용체 이온이 호스트 물질에 양의 결핍을 일으키기 때문에 전하가 없는 영역에서 우세합니다. 즉, 홀은 전자가 없는 것으로, 양전하와 같이 동작합니다.필드가 존재하지 않는 경우 음의 리셉터 이온이 양공의 균형을 정확히 맞추기 때문에 중립성이 달성됩니다.

표면 영역

다음으로 밴드 벤딩에 대해 설명합니다.양극 전하가 절연체 좌측면에 배치됩니다(예: 금속 "게이트" 전극 사용).절연체에는 전하가 없기 때문에 전계가 일정하여 이 재료의 전압이 선형적으로 변화합니다.그 결과 절연체 전도 대역과 원자가 대역은 그림에서 큰 절연체 에너지 갭으로 분리된 직선이다.

상부패널에 나타내는 소전압의 반도체에서 절연체 좌측면에 놓인 정전하가 원자가 밴드엣지의 에너지를 저하시킨다.따라서 이들 상태는 이른바 고갈 깊이까지 완전히 점유되며, 이 경우 필드가 더 이상 침투할 수 없기 때문에 벌크 점유율이 다시 확립된다.표면 부근의 원자가 밴드 레벨이 낮아짐에 따라 표면 부근의 원자가 밴드 레벨이 완전히 점유되기 때문에 표면 부근에는 움직이지 않는 음수용 전하만이 존재하며, 이는 구멍이 없는 전기 절연 영역(공핍층)이 된다.따라서 노출된 음극 수용체 이온 전하가 절연체 표면에 배치된 양극 전하를 평형시킬 때 필드 침투가 저지됩니다. 공핍층은 게이트 상의 순 음극 수용체 이온 전하가 평형되도록 충분히 깊이를 조정합니다.

반전

전도 대역 가장자리도 낮아져 이러한 상태의 전자 점유율이 증가하지만, 저전압에서는 이 증가가 유의미하지 않습니다.단, 더 큰 인가전압에서는 바닥패널과 같이 전도밴드엣지가 충분히 낮아져 전자가 원래 반도체를 채우는 구멍과 극성이 반대이기 때문에 반전층이라고 불리는 좁은 표면층에서 이들 레벨의 상당한 집단을 일으킨다.반전층에서의 이러한 전자 전하의 시작은 인가된 임계값 전압에서 매우 중요하며, 인가된 전압이 이 값을 초과하면 고갈층의 확장에 의한 수용체 이온 전하의 증가보다는 거의 전적으로 반전층에 전자를 추가하여 전하 중립성을 달성합니다.이 시점에서 전기전자밀도가 역치전압을 넘어 밴드벤딩에 따라 기하급수적으로 증가하므로 반도체로의 전기장투과가 저지되어 공핍층 깊이를 역치전압에서의 값으로 효과적으로 핀 접속한다.

레퍼런스

  1. ^ 약자는 Metal Oxide Semiconductor 전계효과 트랜지스터, 접합 전계효과 트랜지스터 및 MEtal Semiconductor 전계효과 트랜지스터의 약자입니다.예를 들어 설명에 대해서는 다음을 참조해 주십시오.M K Achuthan K N Bhat (2007). "Chapter 10: Metal semiconductor contacts: Metal semiconductor and junction field effect transistors". Fundamentals of semiconductor devices. Tata McGraw-Hill. pp. 475 ff. ISBN 978-0070612204.

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