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 densidad más baja de electrones (y posiblemente huecos ) que pueden responder a un campo aplicado es suficientemente pequeña como para que el campo pueda penetrar bastante lejos 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]
El cambio en la conductancia de la superficie se produce porque el campo aplicado altera los niveles de energía disponibles para los electrones a una profundidad considerable 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 en el material.
En la figura se muestra un ejemplo de diagrama de flexión de banda. Para mayor comodidad, 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 de la izquierda y un semiconductor como capa de la derecha. Un ejemplo de dicha estructura es el condensador MOS , una estructura de dos terminales formada por un contacto de compuerta de metal, un cuerpo semiconductor (como el silicio) con un contacto de cuerpo y una capa aislante intermedia (como el dióxido de silicio , de ahí la 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 como si estuviera cerca del borde de la banda de valencia. Esta posición para el nivel de ocupación se logra 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 con carga negativa 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 anfitrión: un hueco es la ausencia de un electrón, se comporta como una carga positiva. Donde no hay campo presente, se logra la neutralidad porque los iones aceptores negativos equilibran exactamente los huecos positivos.
A continuación se describe la flexión de la banda. Se coloca una carga positiva en la cara izquierda del aislante (por ejemplo, utilizando un electrodo de "puerta" metálico). En el aislante no hay cargas, por lo que el campo eléctrico es constante, lo que provoca un cambio lineal de voltaje en este material. Como resultado, las bandas de conducción y de valencia del aislante son, por lo tanto, líneas rectas en la figura, separadas por la gran brecha de energía del aislante.
In the semiconductor at the smaller voltage shown in the top panel, the positive charge placed on the left face of the insulator lowers the energy of the valence band edge. Consequently, these states are fully occupied out to a so-called depletion depth where the bulk occupancy reestablishes itself because the field cannot penetrate further. Because the valence band levels near the surface are fully occupied due to the lowering of these levels, only the immobile negative acceptor-ion charges are present near the surface, which becomes an electrically insulating region without holes (the depletion layer). Thus, field penetration is arrested when the exposed negative acceptor ion charge balances the positive charge placed on the insulator surface: the depletion layer adjusts its depth enough to make the net negative acceptor ion charge balance the positive charge on the gate.
The conduction band edge also is lowered, increasing electron occupancy of these states, but at low voltages this increase is not significant. At larger applied voltages, however, as in the bottom panel, the conduction band edge is lowered sufficiently to cause significant population of these levels in a narrow surface layer, called an inversion layer because the electrons are opposite in polarity to the holes originally populating the semiconductor. This onset of electron charge in the inversion layer becomes very significant at an applied threshold voltage, and once the applied voltage exceeds this value charge neutrality is achieved almost entirely by addition of electrons to the inversion layer rather than by an increase in acceptor ion charge by expansion of the depletion layer. Further field penetration into the semiconductor is arrested at this point, as the electron density increases exponentially with band-bending beyond the threshold voltage, effectively pinning the depletion layer depth at its value at threshold voltages.
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