Особенно большой интерес представляет следующее объяснение распределения зарядов. Мы видели, что когда между затвором и подложкой имеется положительное напряжение, возникает инверсионный слой, имеющий избыток отрицательных зарядов, ограничивающих электрическое поле в окисле. Когда напряжение между затвором и подложкой отсутствует, то, следовательно, отсутствует и электрическое поле. В противном случае в слое окисла имело бы место падение напряжения, равное dU=dEdS. Таким образом, область границы раздела диэлектрик — полупроводник должна быть электрически нейтральной. Иначе имелось бы какое-то поле Е. Эта точка зрения приводит нас к выводу о том, что к границе раздела диэлектрик — полупроводник притягиваются электроны, при этом образуется инверсионный слой, и благодаря положительному заряду, имеющемуся в окисле, сохраняется электрическая нейтральность границы раздела.

Рисунок 20. Искривление зон у поверхности полупроводника n-типа (Ψ0 — поверхностный потенциал).

Это перераспределение зарядов на поверхности полупроводника, защищенного слоем окисла, оказывает влияние на положение уровня Ферми в этой области. Уровень Ферми в объеме кремния р-типа находится у потолка валентной зоны, a в инверсионном слое кремния n-типа он должен располагаться у дна зоны проводимости. Система находится в равновесии, и применение уровней Ферми справедливо. Уровень Ферми может быть уподоблен химическому потенциалу и устанавливает связь между свойствами частиц, находящихся в объеме материала и в вакууме. Особенность уровня Ферми состоит в том, что он должен оставаться постоянным во всех областях материала. Если уровень Ферми постоянен, то у поверхности полупроводника должно происходить искривление зон. Это показано на рис. 19 сверху для кремния р-типа и на рис. 20 сверху – для кремния n-типа. Отрицательный заряд, захваченный ловушками, показан только на рис. 20 сверху.

Другой механизм, способствующий образованию первоначального n-канала — разность работ выхода кремния, двуокиси кремния и материала электрода затвора. Сначала рассмотрим искривление зон на границе раздела полупроводник — диэлектрик, вызванное разностью работ выхода кремния и двуокиси кремния.

Рисунок 21 Определение работы выхода электрона (еφχ— произведение работы выхода на заряд электрона)

Работа выхода материала определяется энергией, необходимой для удаления электрона с уровня Ферми в вакуум.

Таким образом, работа выхода материала χ равна eφχ (см. рис.21).

Работа выхода кремния р-типа в среднем равняется 4,8 эв. Так как уровень Ферми в кремнии р-типа зависит от концентрации легирующей акцепторной примеси, то работа выхода также будет зависеть от концентрации легирующей примеси. Разница между энергией свободного электрона и энергией дырок, расположенных у потолка валентной зоны кремния, составляет 5,15 эв. Ширина запрещенной зоны кремния хорошо известна и при комнатной температуре равняется 1,11 эв. Таким образом, энергетическая диаграмма кремния р-типа приняла бы вид, показанный на рис.22.

Рисунок 22 Энергетическая диаграмма кремния.

Работа выхода электронов из кремния обозначается как eφS1.

Если не учитывать влияния поверхностных эффектов, то энергетическая структура двуокиси кремния примет вид, показанный на рис23.

Рисунок 23 Энергетическая диаграмма двуокиси кремния.

Работа выхода двуокиси кремния для пленок [I] толщиной от 1500 до 6 000 Å, составляет 4,4 — 4,5 эв. Работа выхода φSiO2 также показана на рис12. сверху. Предположим, что кремний и двуокись кремния контактируют друг с другом и образуют границу раздела. Если энергетические диаграммы, показанные на двух рисунках сверху, совместить в состоянии равновесия, то уровень Ферми должен оставаться постоянным в обеих областях. Для поддержания равновесия, при котором через границу раздела не протекал бы ток, необходимо учесть разность работ выхода кремния и двуокиси кремния. Это приводит к изгибу зон у границы раздела. Так как работа выхода кремния больше, чем двуокиси кремния, то изгиб зон в кремнии всегда будет происходить так, что на его поверхности образуется канал n-типа. Величина потенциального барьера, возникающего на границе раздела, достаточна для того, чтобы ток между двумя областями отсутствовал. Это показано на энергетической диаграмме рис 23. Отметим, что если какой-нибудь диэлектрик имеет работу выхода, большую, чем работа выхода кремния, образуется поверхностный канал с проводимостью р-типа.