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 electrónica que responde a los campos aplicados es tan grande que un campo eléctrico externo sólo puede penetrar una distancia muy corta en el material. Sin embargo, en un semiconductor , la menor densidad de electrones (y posiblemente de huecos ) que pueden responder a un campo aplicado es 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 es la base del funcionamiento del diodo Schottky y de los transistores de efecto de campo , en particular el MOSFET , el JFET y el MESFET . [1]
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 bandas que muestra las posiciones en energía de los bordes de las bandas en función de la profundidad del 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 en voltios, evitando la necesidad de un factor q para la carga elemental . En la figura se muestra una estructura de dos capas, compuesta por un aislante como capa izquierda y un semiconductor como capa derecha. Un ejemplo de tal estructura es el capacitor MOS , una estructura de dos terminales formada por un contacto de puerta de metal, un cuerpo semiconductor (como el silicio) con un contacto corporal 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 se "doblan" mediante 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: por 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.
El ejemplo de la figura muestra el nivel de Fermi en el material a granel más allá del rango del campo aplicado 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 y se convierten 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 hueco es la ausencia de un electrón, se comporta como una carga positiva. Cuando no hay campo presente, se logra la neutralidad porque los iones aceptores negativos equilibran exactamente los huecos positivos.
A continuación se describe el doblado de la banda. Se coloca una carga positiva en la cara izquierda del aislante (por ejemplo, usando un electrodo de "puerta" de metal). En el aislante no hay cargas por lo que el campo eléctrico es constante, provocando un cambio lineal de voltaje en este material. Como resultado, las bandas de conducción y valencia del aislante 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 donde la ocupación masiva se restablece 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 inmóviles de iones aceptores negativos 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 del ion aceptor negativo expuesta equilibra la carga positiva colocada en la superficie del aislante: la capa de agotamiento ajusta su profundidad lo suficiente como para hacer que la carga neta del ion aceptor negativo equilibre la carga positiva en la puerta.
El borde de la banda de conducción también disminuye, lo que aumenta la ocupación de electrones de estos estados, pero a bajos voltajes este aumento no es significativo. Sin embargo, a voltajes aplicados más grandes, como en el panel inferior, el borde de la banda de conducción desciende lo suficiente como para causar una población significativa de estos niveles en una capa superficial estrecha, llamada capa de inversión porque los electrones tienen polaridad opuesta a los huecos que originalmente poblaban la zona. 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 la carga se logra casi por completo mediante la adición de electrones a la capa de inversión en lugar de mediante un aumento en la carga del ion aceptor por expansión de la capa de agotamiento. En este punto se detiene una mayor penetración del campo en el semiconductor, 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 los voltajes umbral.
Este artículo incorpora material del artículo de Citizendium "Efecto de campo # Efecto de campo", que tiene la licencia Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported pero no la GFDL .