電界効果トランジスタのチャネル形成について

質問

トップゲートトランジスタ等のゲート電極に正の電圧を加えたとします。 するとゲート電極下部のゲート絶縁膜上部は負に帯電し、下部は正に帯電すると思います(誘電分極)。よって半導体層界面の電子濃度が増加するのでチャネルが出来てソース・ドレイン間の電流量が増えるとの事ですが、この電子濃度が上がる要因とは帯電した絶縁膜の静電気的引力によって異符号のキャリアが直接吸い寄せられたという解釈でいいのですか？それとも静電気によって半導体層のポテンシャルが沈むように変化した結果、キャリアが溝に落ちてきて集まったと考えるのでしょうか？

一方逆に、ゲート電極に負の電圧を掛けると半導体層界面には電子濃度が減る事についても同様に説明されると思います。ただ、そもそも空乏層というのは、実空間的に界面近傍にキャリアが存在しなくなっているから電流密度が減ったのか、または波数空間的に対応するエネルギー準位のキャリアが存在していない(禁制帯)から電流密度が減ったのか、どのように考えればいいのでしょうか。

回答No.1

leo-ultra · ベストアンサー

> この電子濃度が上がる要因とは帯電した絶縁膜の静電気的引力によって異符号のキャリアが直接吸い寄せられたという解釈でいいのですか？それとも静電気によって半導体層のポテンシャルが沈むように変化した結果、キャリアが溝に落ちてきて集まったと考えるのでしょうか？

前半の静電的な「力」を用いた説明です。後半は半導体層のポテンシャルに静電的「ポテンシャル」が関与する説明です。
「ポテンシャルエネルギー」にgradを作用させると、「力」になる関係があるので、どちらも同じことを
別の言葉で言っているだけです。

> そもそも空乏層というのは、実空間的に界面近傍にキャリアが存在しなくなっているから電流密度が減ったのか、または波数空間的に対応するエネルギー準位のキャリアが存在していない(禁制帯)から電流密度が減ったのか、

空乏層と禁制帯は別のものです。　前半の説明が正しくて、後半の説明が間違っています。
空乏層は、ある種のポテンシャルが作用しているなどして、バンドが曲がるなどして、キャリヤがどこかに行ってしまった領域です。
禁制帯はそもそもエネルギー的に存在できない。

半導体のエネルギー図って横軸は位置ですよね。だから波数空間じゃなくて実空間描像なのです。
だからどちらも実空間の説明です。

お礼

勉強になりました。
ありがとうございました。