En física, el efecto de campo se refiere a la modulación de la conductividad eléctrica de un material mediante la aplicación de un campo eléctrico externo .
En un metal , la densidad de electrones que responde a los campos aplicados es tan grande que un campo eléctrico externo puede penetrar solo una distancia muy corta en el material. Sin embargo, en un semiconductor, la menor densidad de electrones (y posiblemente huecos ) que pueden responder a un campo aplicado es lo suficientemente pequeña como para que el campo pueda penetrar bastante en el material. Esta penetración de campo altera la conductividad del semiconductor cerca de su superficie y se denomina efecto de campo . El efecto de campo subyace al funcionamiento del diodo Schottky y de los transistores de efecto de campo , en particular el MOSFET , el JFET y el MESFET . [1]
Conductancia superficial y flexión de banda
El cambio en la conductancia de la superficie se produce porque el campo aplicado altera los niveles de energía disponibles para los electrones a profundidades considerables desde la superficie y eso, a su vez, cambia la ocupación de los niveles de energía en la región de la superficie. Un tratamiento típico de tales efectos se basa en un diagrama de flexión de banda que muestra las posiciones en energía de los bordes de la banda en función de la profundidad en el material.
En la figura se muestra un ejemplo de diagrama de flexión de banda. Por conveniencia, la energía se expresa en eV y el voltaje se expresa en voltios, evitando la necesidad de un factor q para la carga elemental . En la figura se muestra una estructura de dos capas, que consta de un aislante como capa izquierda y un semiconductor como capa derecha. Un ejemplo de tal estructura es el condensador MOS , una estructura de dos terminales formada por un contacto de puerta de metal , un cuerpo semiconductor (como el silicio) con un contacto con el cuerpo y una capa aislante intermedia (como el dióxido de silicio , de ahí el designación O ). Los paneles de la izquierda muestran el nivel de energía más bajo de la banda de conducción y el nivel de energía más alto de la banda de valencia. Estos niveles son "doblado" por la aplicación de un voltaje positivo V . Por convención, se muestra la energía de los electrones, por lo que un voltaje positivo que penetra en la superficie reduce el borde de conducción. Una línea discontinua representa la situación de ocupación: debajo de este nivel de Fermi es más probable que los estados estén ocupados, la banda de conducción se acerca al nivel de Fermi, lo que indica que hay más electrones en la banda conductora cerca del aislante.
Región a granel
El ejemplo de la figura muestra que el nivel de Fermi en el material a granel más allá del rango del campo aplicado se encuentra cerca del borde de la banda de valencia. Esta posición para el nivel de ocupación se arregla introduciendo impurezas en el semiconductor. En este caso, las impurezas son los llamados aceptores que absorben electrones de la banda de valencia convirtiéndose en iones inmóviles cargados negativamente incrustados en el material semiconductor. Los electrones eliminados se extraen de los niveles de la banda de valencia, dejando vacantes o huecos en la banda de valencia. La neutralidad de carga prevalece en la región libre de campo porque un ion aceptor negativo crea una deficiencia positiva en el material huésped: un agujero es la ausencia de un electrón, se comporta como una carga positiva. Donde no hay campo presente, se logra neutralidad porque los iones aceptores negativos equilibran exactamente los huecos positivos.
Región de superficie
A continuación se describe la flexión de la banda. Se coloca una carga positiva en la cara izquierda del aislante (por ejemplo, usando un electrodo de "compuerta" de metal). En el aislador no hay cargas por lo que el campo eléctrico es constante, lo que lleva a un cambio lineal de voltaje en este material. Como resultado, la conducción del aislador y las bandas de valencia son líneas rectas en la figura, separadas por el gran espacio de energía del aislante.
En el semiconductor con el voltaje más pequeño que se muestra en el panel superior, la carga positiva colocada en la cara izquierda del aislante reduce la energía del borde de la banda de valencia. En consecuencia, estos estados están completamente ocupados hasta una denominada profundidad de agotamiento en la que la ocupación en masa se restablece por sí misma porque el campo no puede penetrar más. Debido a que los niveles de la banda de valencia cerca de la superficie están completamente ocupados debido a la disminución de estos niveles, solo las cargas de iones aceptores negativos inmóviles están presentes cerca de la superficie, que se convierte en una región eléctricamente aislante sin agujeros (la capa de agotamiento ). Por lo tanto, la penetración del campo se detiene cuando la carga iónica del aceptor negativo expuesta equilibra la carga positiva colocada en la superficie del aislante: la capa de agotamiento ajusta su profundidad lo suficiente para que la carga neta del ión aceptor negativo equilibre la carga positiva en la puerta.
Inversión
El borde de la banda de conducción también se reduce, aumentando la ocupación de electrones de estos estados, pero a tensiones bajas este aumento no es significativo. Sin embargo, a voltajes aplicados más grandes, como en el panel inferior, el borde de la banda de conducción se baja lo suficiente como para causar una población significativa de estos niveles en una capa superficial estrecha, llamada capa de inversión porque los electrones son de polaridad opuesta a los agujeros que originalmente poblaban el semiconductor. Este inicio de carga de electrones en la capa de inversión se vuelve muy significativo a un voltaje umbral aplicado , y una vez que el voltaje aplicado excede este valor, la neutralidad de carga se logra casi en su totalidad mediante la adición de electrones a la capa de inversión en lugar de un aumento en la carga del ión aceptor por expansión de la capa de agotamiento. La penetración de campo adicional en el semiconductor se detiene en este punto, ya que la densidad de electrones aumenta exponencialmente con la flexión de la banda más allá del voltaje umbral, fijando efectivamente la profundidad de la capa de agotamiento en su valor en voltajes umbral.
Referencias
- ^ Las siglas representan M etal O xide S emiconductor F ield E fecto T ransistor, J unción F ield E fecto T ransistor, y ME tal S emiconductor F ield E fecto T ransistor. Para una discusión ver, por ejemplo, MK Achuthan KN Bhat (2007). "Capítulo 10: Contactos semiconductores metálicos: Transistores de efecto de campo de unión y semiconductores metálicos" . Fundamentos de los dispositivos semiconductores . Tata McGraw-Hill. págs. 475 y sigs . ISBN 978-0070612204.
Este artículo incorpora material del artículo de Citizendium " Efecto de campo # Efecto de campo ", que está bajo la licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported pero no bajo la GFDL .