Región de reducción

En la física de semiconductor, la región de reducción, también llamó la capa de reducción, la zona de reducción, región de la unión o la región del precio espacial, es una región de aislamiento dentro de un material de semiconductor propicio, drogado donde los transportistas del precio móviles se han difundido lejos o han sido forzados lejos por un campo eléctrico. Los únicos elementos dejados en la región de reducción son impurezas del aceptador o el donante ionizadas.

La 'región de reducción' tan se llama porque es formada de una región de conducción por el retiro de todos los transportistas del precio libres, no dejando ninguno para llevar una corriente. El entendimiento de la región de reducción es clave a la explicación de la electrónica de semiconductor moderna: diodos, transistores de la unión bipolares, transistores del efecto de campaña y diodos de capacitancia variables todos confían en fenómenos de la región de reducción.

La discusión siguiente se limita con la unión p-n y el condensador MOS, pero las regiones de reducción se levantan en todos los dispositivos mencionados anteriormente.

Formación de región de reducción en una unión P-N

Una región de reducción se forma al instante a través de una unión P-N. El más fácilmente se describe cuando la unión está en el equilibrio termal o en un estado de equilibrio: en ambos de estos casos las propiedades del sistema no varían a tiempo; los han llamado equilibrio dinámico.

Electrones y agujeros difusos en regiones con concentraciones inferiores de electrones y agujeros, mucho ya que la tinta se difunde en el agua hasta que uniformemente se distribuya. Por definición, el semiconductor del N-tipo tiene un exceso de electrones libres comparado con la región del P-tipo, y el P-tipo tiene un exceso de agujeros comparado con la región del N-tipo. Por lo tanto cuando N-doped y las piezas P-doped de semiconductor se colocan juntos para formar una unión, los electrones emigran en el P-lado y los agujeros emigran en el N-lado. La salida de un electrón del N-lado al P-lado deja un ión del donante positivo en el N-lado, e igualmente el agujero deja un ión del aceptador negativo en el P-lado.

Transferencia siguiente, los electrones difundidos entran en el contacto con agujeros en el P-lado y son eliminados por la nueva combinación. Igualmente para los agujeros difundidos en el N-lado. El resultado neto es los electrones difundidos y los agujeros se van, dejando los iones cargados contiguos al interfaz en una región sin transportistas móviles (llamó la región de reducción). Los iones no compensados son positivos en el lado N y negativos en el lado P. Esto crea un campo eléctrico que proporciona una fuerza que se opone al cambio continuado de transportistas del precio. Cuando el campo eléctrico es suficiente para detener la transferencia adicional de agujeros y electrones, la región de reducción ha alcanzado sus dimensiones de equilibrio. La integración del campo eléctrico a través de la región de reducción determina lo que se llama el voltaje incorporado (también llamó el voltaje de la unión o voltaje de la barrera o potencial de contacto).

Hablar de:Mathematically, la transferencia del precio en dispositivos de semiconductor es debida tanto a la conducción conducida por el campo eléctrico (movimiento) como por la difusión. Para una región del P-tipo, donde conducta de agujeros con la conductividad eléctrica σ y difuso con la difusión D constante, la densidad corriente neta da

::: j = σ E - D qp

:with q el precio elemental (1.6×10 coulomb) y p la densidad del agujero (número por volumen de la unidad). La conducción fuerza los agujeros a lo largo de la dirección del campo eléctrico. La difusión mueve a los transportistas en dirección de la concentración decreciente, por tanto para agujeros unos resultados corrientes negativos para un declive de densidad positivo. (Si los transportistas son electrones, sustituimos la densidad del agujero p por la negativa de la densidad de electrones n; en algunos casos, tanto los electrones como los agujeros se deben incluir.) Cuando los dos componentes corrientes equilibran, como en la región de reducción de la pn-unión en el equilibrio dinámico, la corriente es el cero debido a la relación de Einstein, que relaciona D con σ.

(1) Bajo tendencia inversa (P negativo con respecto a N), la gota potencial (es decir, voltaje) a través de los aumentos de la región de reducción. Esto ensancha la región de reducción, que aumenta el componente de movimiento del corriente y disminuye el componente de la difusión. En este caso la corriente neta está a la izquierda en la cifra de la unión pn. La densidad del transportista entonces es pequeña y sólo una muy pequeña saturación inversa corrientes eléctricas.

(2) Expida la tendencia (P positivo con respecto a N) estrecha la región de reducción y baja la barrera para la inyección del transportista. El componente de la difusión de la corriente enormemente aumenta y las disminuciones del componente de movimiento. En este caso la corriente neta es derecha en la cifra de la unión pn. La densidad del transportista es grande (varía exponencialmente con el voltaje de la tendencia aplicado), haciendo la unión propicia y permitiendo una corriente avanzada grande. La descripción matemática de la corriente es proporcionada por la ecuación del diodo de Shockley. La corriente baja conducida bajo la tendencia inversa y la corriente grande bajo la tendencia avanzada son un ejemplo de rectificación.

Formación de región de reducción en un condensador MOS

Otro ejemplo de una región de reducción ocurre en el condensador MOS. Se muestra en la cifra a la derecha, para un P-tipo substrate. Suponga que el semiconductor al principio es el precio neutro, con el precio debido a agujeros exactamente equilibrados por el precio negativo debido al aceptador que droga impurezas. Si un voltaje positivo ahora se aplica a la puerta, que se hace introduciendo el precio positivo Q a la puerta, entonces unos agujeros positivamente cobrados en el semiconductor el más cercano la puerta es repelida por el precio positivo en la puerta y sale del dispositivo a través del contacto del fondo. Dejan una región mermada que aísla porque ningunos agujeros móviles permanecen; sólo las impurezas del aceptador inmóviles, negativamente cargadas. Mayor el precio positivo colocó en la puerta, más positivo el voltaje de la puerta aplicado, y más agujeros que dejan la superficie de semiconductor, ampliando la región de reducción. (En este dispositivo hay un límite de cómo amplio la anchura de reducción se puede hacer. Es puesto por el inicio de una capa de inversión de transportistas en una capa delgada o canal, cerca de la superficie. La susodicha discusión solicita voltajes positivos bastante bajo que una capa de inversión no forma.)

Si el material de la puerta es el polisilicio del tipo de enfrente al semiconductor del bulto, entonces una región de reducción espontánea se forma si la puerta es eléctricamente cortocircuitada al substrate, en la manera más o menos igual como descrito para la pn-unión encima.

Anchura de reducción

La anchura de reducción describe la anchura de la región de reducción en un semiconductor, en particular en geometrías que son la una dimensión, como la pn-unión y condensador MOS. La anchura de la región de reducción es gobernada por el principio de la neutralidad del precio. Dos ejemplos siguen:

Anchura de reducción en pn-unión

El principio de la neutralidad del precio dice que la suma de gastos positivos debe igualar la suma de gastos negativos:

:::

donde n y p son el número de electrones libres y agujeros, y y son el número de donantes ionizados y aceptadores, respectivamente. Si asumimos la ionización llena y esto

:::.

Esta condición asegura que el precio del aceptador negativo neto exactamente equilibre el precio del donante positivo neto. La anchura de reducción total en este caso es la suma.

Una derivación llena para la anchura de reducción se presenta en la referencia. Esta derivación está basada en la solución de la ecuación de Poisson en una dimensión – la dimensión normal a la unión metalúrgica. El campo eléctrico es el cero fuera de la anchura de reducción (visto en la susodicha cifra) y por lo tanto la ley de Gauss implica que la densidad del precio en cada equilibrio de la región – como mostrado por la primera ecuación en esta subdivisión. El trato de cada región por separado y la substitución de la densidad del precio para cada región en la ecuación de Poisson finalmente llevan a un resultado para la anchura de reducción. Este resultado para la anchura de reducción es:

donde está el dieléctrico relativo permittivity del semiconductor, es el voltaje incorporado y es la tendencia aplicada. La región de reducción simétricamente no se parte entre el n y regiones p - tenderá al lado ligeramente drogado. Un análisis más completo tendría en cuenta que todavía hay algunos transportistas cerca de los bordes de la región de reducción. Esto lleva a un término de-2kT/q adicional en el último juego de paréntesis encima.

Anchura de reducción en condensador MOS

Como en uniones p-n, el principio gobernante aquí es la neutralidad del precio. Vamos a asumir un P-tipo substrate. Si el precio positivo Q se coloca en la puerta, entonces los agujeros se merman a una profundidad w suficiente para exponer a aceptadores negativos suficientes para equilibrar exactamente el precio de la puerta. En el caso de que la densidad dopant para ser aceptadores por volumen de la unidad, luego alegue que la neutralidad requiere que la anchura de reducción w satisfaga la relación:

:::

Si la anchura de reducción se hace bastante amplia, entonces los electrones aparecen en una capa muy delgada en el interfaz de óxido por el semiconductor, llamado una capa de inversión porque opuestamente se cargan a los agujeros que prevalecen en un material del P-tipo. Cuando una capa de inversión se forma la anchura de reducción deja de ampliarse con el aumento de Q del precio de la puerta. En este caso la neutralidad se consigue atrayendo más electrones en la capa de inversión. En el MOSFET esta capa de inversión se menciona como el canal.

Campo eléctrico en capa de reducción y flexión del grupo

Asociado con la capa de reducción es un efecto conocido como la flexión del grupo. Esto ocurre porque el campo eléctrico en la capa de reducción varía en línea recta en el espacio de su valor (máximo) en la puerta al cero en el borde de la anchura de reducción:

:::

donde A es el área de la puerta, = 8.854×10 F/m, F es el faradio y el m es el metro. Este campo eléctrico variado en línea recta lleva a un potencial eléctrico que varía cuadráticamente en el espacio. Los niveles de la energía o grupos de la energía, se doblan en respuesta a este potencial.

Véase también



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