Kann ein MOSFET verkehrt herum arbeiten?

Die gepunktete Linie zeigt das Fermi-Niveau. Im Durchschnitt sind alle Zustände unterhalb dieser Linie mit Elektronen gefüllt, und alle Zustände oberhalb dieser Linie sind leer. Oben links gibt es also keine Elektronen im Leitungsband (über der grünen Linie) und keine Löcher im Valenzband (unter der roten Linie) (alle Valenzzustände sind mit Elektronen gefüllt).

Das ist nicht richtig. Das Fermi-Niveau gibt das Niveau an, bei dem ein Zustand mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % von einem Elektron oder Loch besetzt wird. In Ihren Diagrammen (und sehr häufig in Halbleitern) liegt das Fermi-Niveau innerhalb der Bandlücke, in der wir davon ausgehen, dass es keine Zustände gibt. Das heißt aber nicht, dass es keine Elektronen im Leitungsband oder keine Löcher im Valenzband gibt.

In Ihren Diagrammen befinden sich im Valenzband um Größenordnungen mehr Löcher als in einem undotierten Halbleiter natürlich vorhanden sind. Das erkennt man daran, wie nah das Fermi-Niveau an der Valenzbandkante liegt. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband wird nach dem Massenwirkungsgesetz erheblich reduziert:$np=n_i^2$.

Ich bin mir nicht ganz sicher, wie ich diese Diagramme lesen soll, aber ich vermute, dass die Gate-Spannung positiv ist, da sich Elektronen in die Nähe des Gates bewegen wollen (sie haben dort eine geringere Energie) und Löcher sich davon weg bewegen wollen. Das muss bedeuten, dass dies einen N-Kanal-MOSFET zeigt.

Ja, die Gate-Spannung ist positiv, dies ist ein n-Kanal-Gerät. Sie haben Recht mit der Gate-Spannung, obwohl extern angelegte Spannungen nicht den Gerätetyp bestimmen. Dies wäre eine n-Kanal-Vorrichtung, da der Halbleiter im Kanalbereich p-dotiert ist und vermutlich Source und Drain n-dotiert sind.

Im Bild unten links ist die Gate-Spannung stärker und das Leitungsband erreicht das Fermi-Niveau. Das bedeutet, dass auf der linken Seite des Kanals nun einige freie Elektronen vorhanden sind, die zum Leiten von Strom verwendet werden können.

Ja richtig. Sehen Sie, dass, obwohl das Fermi-Niveau nicht tatsächlich in das Leitungsband übergeht, immer noch eine erhebliche Inversionsladung vorhanden sein wird, die rechts gezeigt wird. Dies ist der Kanal, durch den Strom fließen kann.

Wenn wir eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität an das Gate anlegen, biegen sich die Bänder dann nach oben?

Ja. Der Kanalbereich würde wie ein MOS-Kondensator wirken, der in Akkumulation arbeitet. Sie erhalten zusätzliche Löcher und entfernen einige Ihrer ohnehin schon geringen Elektronenvorräte weiter.

Und dann kann der Kanal unter Verwendung von Löchern leiten?

Sicher, wenn wir die Source- und Drain-Regionen für eine Minute ignorieren. Obwohl der Halbleiter im Kanalbereich bereits unter Verwendung von Löchern leiten konnte, ohne eine Gate-Spannung anzulegen, da dort bereits eine beträchtliche Menge an Löchern vorhanden war. Nach Anlegen einer negativen Gate-Spannung sind es noch mehr.

Wir wissen, dass MOSFETs nicht so funktionieren, daher vermute ich, dass es ein Problem an Drain und Source geben wird, das den MOSFET daran hindert, zu leiten.

Ja genau. Der Kanal könnte leiten, ohne ihn zu invertieren, aber es werden keine Träger injiziert von der Source, die aufgrund der pn-Übergänge zwischen Source und Kanal und dem Übergang zwischen Drain und Kanal durch den Kanal leiten werden. Sobald Sie den Kanal umkehren, sind diese Verbindungen nicht mehr vorhanden.

Schauen Sie sich die Seitenansicht eines NMOS an:

Beachten Sie, wie sich das Gate auf einem Substrat vom P-Typ befindet .

Der Kanal ist die leitende Schicht zwischen Source und Drain. Dieser Kanal wird abgeschaltet, wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird .

Diese positive Spannung zieht Elektronen vom P-Substrat zum leitenden Kanal (bestehend aus Elektronen!) zwischen den N+ (N+ also viele freie Elektronen dort!) Drain- und Source-Bereichen.

Was würde passieren, wenn wir eine negative Spannung an das Gate anlegen würden?

Alle freien Elektronen würden in das Substrat abgestoßen . Der Bereich unter dem Gate wäre also frei von freien Elektronen. Es würde ein Bereich vom P-Typ bleiben. Das bedeutet, dass zwischen den Drain- und Source-Bereichen kein leitender Kanal gebildet wird. Es kann also kein Strom fließen.

Der Pfad von Source zu Drain besteht aus zwei PN-Übergängen: Source (N) - P-Substrat (P) - Drain (N) = NPN oder zwei Dioden in Antiserie: NP - PN und das lässt keinen Strom fließen (Ich ignoriere Leckströme).

Also nein, das Anlegen einer Spannung mit entgegengesetzter Polarität führt nicht dazu, dass ein MOSFET leitet.