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場效應

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化學中的場效應(Field effect,記作 F)是指通過空間的分子內靜電作用,即某取代基在空間產生一個電場,它對另一處的反應中心發生影響。場效應與誘導效應是相似的概念,因此常常較難區分,不過場效應是通過空間而非原子鏈產生的,故有些情況下可以通過選取有合適結構的有機分子,將這兩種效應區分開來。

電子顯微鏡下碳納米管微電腦晶片體的場效應畫面

物理中的場效應 是指細電線與金屬薄片間的電場,使空氣離子化,使得帶電粒子發生相互吸引或排斥,產生風的流動,可以利用其現象產生推力,類似於飛機機翼排氣產生升力

  • 場效應(半導體)

在物理學中,場效應指的是使用外加的電場改變材料的導電性。 在金屬中由於有大量電子移動抵消外加電場,外加的電場能使金屬表層的電荷分布發生改變。然而,在半導體中,正負電荷的密度較低,無法完全抵消外加電場,所以外加電場會在半導體材料表面附近改變材料的導電性,這被稱為「場效應」。場效應應用於肖特基二極管,場效應晶體管(主要指的是MOSFET,JFET和MESFET)。

  • 表面的導電性和能帶彎曲

在外加電場的作用下,接近半導體表面一定深度下的電子能級發生改變,這導致了材料表面的導電性發生改變,也使得材料表面區域的電子能占有的能級發生變化。這種效應具有代表性的表徵方式是「能帶彎曲圖」。能帶彎曲圖表徵了材料表面的能帶邊界Ef, Ec, Ev與進入材料深度x之間的關係。 如右圖所示一個典型的能帶彎曲圖。為了簡化,能帶中的能量單位是eV,電壓的單位是V,避免了引入參數q作為單位電荷。右圖中顯示的是一個雙層結構,左邊是絕緣體層,右邊是半導體層。一個使用類似結構的例子是MOS電容,一個雙端的結構,一邊是金屬柵極端,一邊是半導體材料(比如硅)端,中間夾着一層絕緣層(比如氧化硅)。右圖中,左邊的子圖顯示出了導帶的最低能級(Conduction Edge)和價帶的最高能級(Valence Edge)。這些能帶在外加電壓V的作用下發生彎曲。依照習慣,圖中顯示的是電子的擁有能量,所以一個正電壓作用於半導體材料會使材料表面的能帶向下彎曲。虛線表示的是能級占有情況費米能級Ef:低於Ef傾向於被電子占領,導帶在外加電壓作用下向下彎曲更加接近Ef,表明在接近絕緣層的地方導帶中存在更多的電子。

外部連結

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IUPAC 金皮書定義