Alan etkisi (fizik)

Fizikte, Alan etkisi, elektriksel alanın uygulanması sonucu materyaldeki elektrik iletkenliğinin değişimidir. Bir metalde elektriksel alanın uygulandığı bölgenin elektron yoğunluğu yüksektir ve elektrik alan metalin içine çok kısa bir mesafede yayılabilir. Ancak bir yarı-iletken de elektriksel alanın uygulandığı bölgenin elektron yoğunluğu düşük olduğu için elektriksel alan metalin içinde uzun bir mesafeye yayılabilir. Bu yayılma yarı-iletkenin yüzeyine yakın olan kısımlarının iletkenliğini değiştirir ve buna Alan Etkisi denir. Alan etkisi, Schottky Diyotu ve Alan Etkisi Transistörünün, MOSFET, JFET ve MESFET’in, temelinde yatar.

Yüzey iletkenliğinin değişme sebebi uygulanan alanın elektronların yüzeyden hatırı sayılır mesafede derinliğe uygun enerji seviyesini değiştirmesi ve sırayla yüzey bölgesindeki enerji seviyelerinin doluluk oranlarını değiştirmesidir. Böyle etkilere uygulanan sıradan işlem, bant bükme enerjilerin metalin içinde yayıldıkları uzunluğa bağlı fonksiyonun pozisyonunun gösterildiği bant bükme şemasına dayanmaktadır.

Örnek bant bükme şeması şekilde gösterilmiştir. Uygun olması açısından, temel yük 'q' faktörünün kullanılmasından kaçınılarak enerji eV cinsinden ifade edilmiştir. Şekilde soldaki katman yalıtkan, sağdaki katman iletken olmak üzere çift katmanlı bir yapı gösterilmiştir. Bu tür yapılara örnek olarak MOS kondansatörünü verebiliriz. MOS kondansatörü metalden kapaklarla temaslı iki uçlu yapıdan, bir gövde temaslı yarı-iletken gövdeden (Si) ve aradan geçen bir yalıtkan katmandan (SiO2) oluşur. Soldaki panel iletken bandın en düşük enerji seviyesini ve değerlik bandın en yüksek enerji seviyesini gösterir. Bu seviyeler pozitif voltajın uygulanması sonucu bükülür. Gösterilen elektron enerjilerinin yani yüzeye yayılan veya sızan pozitif voltajın iletme sınırını düşürdüğü kabul görülmüştür. Kesikli çizgi doluluk oranı durumunu şu şekilde ifade eder; Fermi seviyesinin altında bölgeler dolmaya daha fazla meyillidir, iletken bant Fermi seviyesine yaklaşmaya başlar ve belirtilen daha fazla elektronlar yalıtkanın yanındaki iletken bandın içinde bulunur.

Figürdeki örnek alt katman maddesindeki en yüksek değere sahip bant köşesinde, sıralı olarak uygulanan kuvvetten uzakta olan Fermi seviyesini gösterir. Yarı-iletken içerisinde kirlilik üreterek düzenlenen kullanım süresi düzeyi bu pozisyon içindir. Bunun olması takdirinde, kirliliğe, elektronları negatif yüklü değerliliğe sahip bantlardan kabul eden ve hareketsiz iyonları yarı-iletken madde içerisine yerleştiren denilmektedir. Koparılan elektronlar değerli bant seviyelerinden, değerli bant seviyelerinde boşluk bırakarak çekilir. Yük alansız ortamdan, negatif iyon kabul edici iyon pozitif eksikliği barındıran malzemeler yarattığından dolayı negatif olarak baskın gelir. Bu özelliğe sahip malzemelerde elektronlar bulunmadığından pozitif yükmüş gibi davranır. Alan sunulmadığı zaman, negatif iyon kabul edici iyonlar tam olarak pozitif boşlukları dengelediğinden dolayı tarafsızlık oluşur.

Bant bükücünün yanındaki tanımlanmıştır. Örneğin metal geçidi elektrodunu kullanarak yapılan yalıtkanın sol tarafına pozitif yük yerleştirilebilir. Yalıtkan içerisinde yük olmadığından dolayı elektrik alan sabittir ve bu durum malzeme içindeki gerilimin doğrusal olarak değişmesine neden olur. Sonuç olarak, yalıtkan şartları ve değerliliğe sahip bantlar figürdeki büyük enerji boşluğundaki yalıtkanlarla ayırılmış düz çizgilerdir.

Küçük gerilimdeki yarı-iletkenler panonun üzerinde gösterilirken, yalıtkanın enerjisini azalttığı bandın köşesinin sol tarafına pozitif yük yerleştirilmiştir. Sonuç itibarıyla, bu ifadeler tamamen ele geçirme olarak tanımlandığından alt katman kullanım süresinin kendini alan daha ileriye nüfuz edemediğinden dolayı yeniden oluşturduğu için tüketme derinliği denilmektedir. Yüzey alanı yakınlarındaki değerliliğe sahip bant seviyeleri, düşük seviyeli olduklarından dolayı tamamen kullanılmıştır. Yalnızca elektriksel olarak boşlukları olmayan yalıtkan haline gelen hareketsiz negatif iyon kabul edici iyonlar yüzey alanı yakınlarında varlığını sürdürebilmektedir. Dahası, alan nüfuzu negatif iyon kabul edici iyon yükleri yalıtkan yüzeyine yerleştirilmiş pozitif yüklerle denge durumuna maruz bırakıldığı zaman durdurulur. Tüketim katmanı geçitteki negatif iyon kabul edici yükleri pozitif yüklerle dengede olacak kadar dengeyi ayarlamaktadır.

Bant köşelerinin taşınması ayrıca azaltılmıştır. Düzeylerdeki elektron kullanmanın artışı düşük voltajda olursa, artışı belirli olmaz. Fakat, yüksek uygulanan voltajda üst panelde olduğu gibi, bant köşelerinin taşınması enversiyon tabakası denilen dar yüzey tabakası düzeyindeki önemli popülasyonlara neden olmak için azaltılmıştır. Çünkü elektronlar başlangıçta yarı-iletkene yerleşen boşluk için kutuplaşma sırasında zıttır. Bu enverziyon tabakasındaki elektron yükünün başlangıcı eşik gerilimi uygulandığı zaman çok önemli bir hale gelmiştir ve bu gerilim bir kez uygulandığında eşik gerilimini geçen yük, iyon kabul edicisi yükü tüketim katmanının genişletilmesiyle arttırmaktansa enverziyon tabakasını elektron ekleyerek arttırarak, neredeyse her yerde tarafsız durumda olacaktır. Yarı-iletken içerisine nüfuz eden daha fazla alan bu noktada durdurulmuştur çünkü elektron öz kütlesi üslü bir biçimde, eşik geriliminin uzağındaki bant bükücü ile, etkili olarak tüketim katmanı derinliğini ve eşik gerilimindeki değerini yakalayacaktır.