Siliziumoxid - Aluminium-Schnittstellenspannung

Eine Spannungsdifferenz entsteht immer dann, wenn zwei unterschiedlich dotierte Materialien leiten. Es mag nicht so aussehen, als würden diese leiten, aber da sich Elektronen und Löcher bewegen können, kann Strom fließen (zumindest in begrenztem Umfang).

Wir haben zwei Ladungsträger, die beide eine Rolle spielen. Konzentrieren wir uns auf die zusätzlichen Elektronen in der "n-Region". Sie werden versuchen, in den p-Bereich zu diffundieren, da die Konzentration geringer ist, aber bald wird ihnen die Spannung entgegenstehen, die von allen Elektronen erzeugt wird, die sich im n-Bereich ansammeln. Gleichgewicht wird hergestellt, wenn die Spannung die diffusive "Kraft" ausgleicht und ein sehr kleiner Bruchteil der Elektronen sich bewegen muss.

Die eingebaute Spannung ist die Spannung, die entsteht, wenn ein p-dotierter und ein n-dotierter Halbleiter in Kontakt gebracht werden.

Warum können wir aus dieser freien Spannung keine ewige Energie gewinnen? Dazu wäre ein vollständiger Stromkreis erforderlich, in dem die Elektronen aus der p-Region durch Ihre Drähte und zurück in die n-Region fließen. Der Spannungsgradient ist "bergab", aber der Konzentrationsgradient ist "bergauf" (da die n-Regionen so viel mehr Elektronen haben). Die Bergab- und Bergaufbedingungen heben sich auf und es fließt kein Strom.

Wir haben uns auf die Elektronen konzentriert, aber auch Löcher tragen dazu bei. Das Bild ist ähnlich, aber komplizierter.

Ich bin mir nicht sicher, ob diese "eingebaute Spannung" einen gleichen Unterschied in der FET-Schwellenspannung erzeugt.

Kevin hat Recht. Folgendes passiert, wenn sich die Kreuzung im dynamischen Gleichgewicht befindet:

Wenn die beiden Übergänge zusammengebracht werden, kommen die diffundierten Elektronen in Kontakt mit Löchern auf der P-Seite und werden durch Rekombination eliminiert. Ebenso für die diffusen Löcher auf der N-Seite. Das Endergebnis ist, dass die diffundierten Elektronen und Löcher verschwunden sind und die geladenen Ionen neben der Grenzfläche in einem Bereich ohne bewegliche Ladungsträger (als Verarmungsbereich bezeichnet) zurückbleiben. Die unkompensierten Ionen sind auf der N-Seite positiv und auf der P-Seite negativ. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das dem fortgesetzten Austausch von Ladungsträgern eine Kraft entgegensetzt. Wenn das elektrische Feld ausreicht, um den weiteren Transfer von Löchern und Elektronen zu stoppen, hat der Verarmungsbereich seine Gleichgewichtsabmessungen erreicht.

Was sie meinen, ist die Austrittsarbeit . Obwohl Arbeitsfunktionen technisch für Oberflächen von Materialien im Vakuum gelten, funktionieren sie auch vernünftigerweise für isolierende dielektrische Materialien.

Die zum Einschalten der Inversionsschicht einer MOS-Struktur erforderliche Schwellenspannung hängt vom Material des Gates ab. Wenn sich das Gerät im Gleichgewicht befindet, bevorzugt es tatsächlich ein kleines elektrisches Feld innerhalb des Isolators und daher eine kleine Standard-Oberflächenladung innerhalb des Halbleiters und des Gates. Dieses elektrische Feld hängt von der Differenz der Austrittsarbeit zwischen dem Gate-Material und dem Halbleiter ab.

Es mag überraschend erscheinen, dass ein Gerät lieber ein eingebautes elektrisches Feld haben würde, aber denken Sie daran, dass PN-Übergänge auch eingebaute elektrische Felder haben (siehe andere Antworten). Im Allgemeinen kann jede Oberfläche oder Grenzfläche ein eingebautes elektrisches Feld haben.

Sze spricht ein wenig über diesen Gate-Austrittsarbeitseffekt ( Physics of Semiconductor Devices, 3. Auflage , Seite 225–226 / Kapitel 4, Abbildungen 20–22).