電界効果（半導体）

物理学において、電界効果とは、外部電界の印加によって物質の電気伝導性が変調されることを指します。

金属では、印加電界に反応する電子密度が非常に大きいため、外部電界は材料内に非常に短い距離しか浸透できません。しかし、半導体では、印加電界に反応できる電子（およびおそらく正孔）の密度は低く、電界は材料内にかなり深く浸透できます。この電界浸透により半導体の表面近くの導電性が変化し、電界効果と呼ばれます。電界効果は、ショットキーダイオードや電界効果トランジスタ、特にMOSFET、JFET、MESFETの動作の基礎となっています。^[1]

表面伝導度の変化は、印加電界によって表面からかなり深いところまで電子が利用できるエネルギー レベルが変化し、その結果、表面領域におけるエネルギー レベルの占有率が変化するため発生します。このような効果の一般的な処理は、バンド エッジのエネルギー位置を材料の深さの関数として 示すバンド曲げ図に基づいています。

バンドベンディング図の例を図に示します。便宜上、エネルギーはeV 、電圧はボルトで表し、素電荷の係数qの必要性を回避します。図には、左側の層が絶縁体、右側の層が半導体からなる 2 層構造が示されています。このような構造の例として、MOS コンデンサがあります。これは、金属ゲート接点、本体接点を持つ半導体本体(シリコンなど)、および介在絶縁層 (二酸化シリコン など、そのためOで示される)で構成される 2 端子構造です。左側のパネルは、伝導帯の最低エネルギー レベルと価電子帯の最高エネルギー レベルを示しています。これらのレベルは、正の電圧Vを印加することで「曲げられます」 。慣例により、電子のエネルギーが示されているため、表面を貫通する正の電圧は伝導端を下げます。破線は占有状況を示しています。このフェルミ準位より下では状態が占有される可能性が高くなり、伝導帯はフェルミ準位に近づきます。これは、絶縁体近くの伝導帯に電子が多く存在することを示しています。

図の例では、印加電界の範囲を超えたバルク材料のフェルミ準位が価電子帯端に近い位置にあることを示しています。占有準位のこの位置は、半導体に不純物を導入することで調整されます。この場合、不純物はいわゆるアクセプタであり、価電子帯から電子を吸収して半導体材料に埋め込まれた負に帯電した動かないイオンになります。除去された電子は価電子帯準位から引き出され、価電子帯に空孔またはホールが残ります。負のアクセプタイオンがホスト材料に正の欠陥を作成するため、電界のない領域では電荷の中性状態が保たれます。ホールは電子が存在しない状態であり、正電荷のように動作します。電界が存在しない場所では、負のアクセプタイオンが正のホールと正確にバランスをとるため、中性状態が達成されます。

次に、バンドの曲がりについて説明します。絶縁体の左側に正電荷が配置されます (たとえば、金属の「ゲート」電極を使用)。絶縁体には電荷がないため、電界は一定であり、この材料の電圧は直線的に変化します。その結果、図では絶縁体の伝導帯と価電子帯は直線となり、大きな絶縁体エネルギー ギャップによって分離されます。

上のパネルに示されているより低い電圧の半導体では、絶縁体の左側に置かれた正電荷が価電子帯端のエネルギーを低下させます。その結果、これらの状態は、電界がそれ以上浸透できないためバルク占有率が再び確立される、いわゆる空乏深度まで完全に占有されます。表面近くの価電子帯レベルはこれらのレベルの低下により完全に占有されるため、不動の負のアクセプタイオン電荷のみが表面近くに存在し、ホールのない電気絶縁領域 (空乏層)になります。したがって、露出した負のアクセプタイオン電荷が絶縁体表面に配置された正電荷とバランスをとると、電界の浸透が停止します。空乏層は、正味の負のアクセプタイオン電荷がゲート上の正電荷とバランスをとるのに十分な深さに調整されます。

伝導帯端も低下し、これらの状態の電子占有率が上昇しますが、低電圧ではこの上昇は顕著ではありません。ただし、下のパネルのように、より大きな印加電圧では、伝導帯端が十分に低下し、狭い表面層にこれらのレベルが顕著に出現します。この層は反転層と呼ばれます。これは、電子が半導体に元々存在していた正孔と極性が逆であるためです。反転層での電子電荷のこの発現は、印加しきい値電圧で非常に顕著になり、印加電圧がこの値を超えると、電荷の中性化は、空乏層の拡大によるアクセプタイオン電荷の増加ではなく、反転層への電子の追加によってほぼ完全に達成されます。しきい値電圧を超えるとバンドベンディングにより電子密度が指数関数的に増加するため、半導体へのさらなる電界の浸透はこの時点で停止し、しきい値電圧での値で空乏層の深さが 効果的に固定されます。

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