Hier heißt es:
Wenn ein Transistor ausgeschaltet ist, besteht eine Potentialbarriere zwischen Source und Drain.
Ich weiß nicht genau, was eine potenzielle Barriere ist. Wenn ich eine fundierte Vermutung anstellen müsste, wäre es eine Barriere, die ein Elektron überwinden muss, um von der Quelle zum Drain zu gelangen. Wenn Sie nicht möchten, dass das Elektron den Drain erreicht (dh der Transistor ist "aus"), erschweren Sie die Überwindung der Barriere. Diese Vermutung wirft jedoch Fragen auf (vor allem, ob die Vermutung tatsächlich richtig ist oder nicht):
Was ist das für eine Barriere? Offensichtlich eine „potenzielle“ Barriere, aber wie funktioniert das?
Wird diese Barriere entfernt, wenn Sie möchten, dass ein Transistor eingeschaltet ist?
Für die erste Antwort wird diese Barriere durch die unterschiedlichen Materialien verursacht, die zum Bau des Transistors verwendet werden. Stellen Sie sich jede Verbindung im Transistor als Diode vor.
Nun kann die Quelle aus Material vom n-Typ sein (dh zusätzliche freie Elektronen haben) und das Substrat könnte Material vom p-Typ sein (dh zusätzliche Löcher haben – positive Ladungen). Wenn Sie jetzt keine externe Spannung anlegen, gibt es einen Gleichgewichtszustand, in dem die Elektronen an der Grenze des n-Typ-Materials zum p-Typ-Substrat übergehen. Dies würde dann zur Bildung eines ladungsneuralen Verarmungsbereichs führen, und jedes neue Elektron, das nun zum Substrat vom p-Typ übergehen muss, würde eine zusätzliche externe Spannung erfordern.
Diese Spannung ist Ihr Barrierenpotential.
Wenn Sie eine externe Spannung anlegen, verringert sich dieses Sperrpotential, da die Elektronen freier fließen können und somit die Diode einschalten.
Warum verweise ich auf Dioden, weil ein Transistor als Gerät mit zwei gegeneinander geschalteten Dioden betrachtet werden kann. Sobald Sie verstehen, wie eine Diode funktioniert, werden Transistoren einfach!
Es ist das minimale Potential eines Transistors aus einem bestimmten Material, um die minimale Energie zu überwinden, damit das Elektron aus der Substanz freigesetzt wird
Meine Kenntnisse der Transistorphysik sind veraltet, aber lassen Sie es mich versuchen. Wenn Physiker von "Potenzial" sprechen, meinen sie Energie (eigentlich potentielle Energie pro Ladungseinheit).
Stellen Sie sich (wie in den alten Tagen der Vakuumröhre) ein Elektron vor, das sich zwischen zwei geladenen Platten bewegt. Der grundlegende Elektromagnetismus besagt, dass zwischen den Platten ein konstantes elektrisches Feld besteht. Um die Platten zu überqueren, muss eine elektrische Ladung (zB ein Elektron) eine bestimmte Menge an kinetischer Energie haben. Das durch die Ladungen auf der Platte erzeugte elektrische Feld trägt zur potentiellen Energie des Systems bei. Die Differenz zwischen der potentiellen Energie pro Ladungseinheit an jeder Platte aufgrund des elektrischen Felds wird als Potentialdifferenz oder Spannung bezeichnet.
Wir sehen dies hauptsächlich in zwei Bereichen: Elektronen, die zwischen Platten in einer Vakuumröhre herumgeschoben werden, und Teilchenbeschleunigern. Teilchenphysiker sind faul. Anstatt Erg oder Joule zu verwenden, um diese Art von Energien zu beschreiben, verwenden sie eine neue Einheit, das Elektron-Volt oder kurz eV (sowie das KeV--Kilo-eV, das Mev Million-eV, GeV, Giga-eV, TeV Tera-eV usw. )
Wie gilt das für Transistoren? In einem dotierten Halbleiter gibt es eine Suppe aus Atomen, Ionen, Elektronen. Die Elektronen sind nicht gezwungen, irgendwohin zu gehen. Es ist wie ein Dirigent. Aber an der Oberfläche des Materials sammeln sich Ionen, um eine Nettoladung zu bilden.
Stellen Sie sich nun zwei entgegengesetzt dotierte Halbleiter vor, die in einem Vakuum sitzen. Die Oberfläche der beiden bildet etwas Ähnliches wie die aufgeladenen Platten oben. Bringen Sie nun die Flächen dicht aneinander. Der Potentialunterschied ist immer noch da. Elektronen benötigen Energie, um von einer Seite zur anderen zu gelangen. Nun (wie eine Diode) durch eine pn-Barriere. Eine np-Barriere stellt kein Hindernis dar. Aber danach geht es durch eine Barriere und trifft dann auf eine andere Barriere des entgegengesetzten Typs. Strom kann also nicht fließen.
Jetzt brauchen wir einen kleinen Trick aus der Quantenmechanik. Stellen Sie sich eine Murmel auf einer glatten Oberfläche mit einem Hügel vor. Diese Murmel kann sich viel bewegen, aber sie kann nur etwa die Hälfte des Hügels hinaufgehen. Es hat nicht genug Energie, um höher zu gehen.
Diese Murmel kann nicht auf die andere Seite gelangen (nehme an, dass sie nicht um den Hügel herumgehen kann). Wenn die Murmel auf die andere Seite gelangen könnte, könnte sie perfekt existieren, aber der Hügel ist im Weg. Geben Sie die Quantenmechanik ein. Wenn dieser Hügel klein genug wäre und die Murmel klein genug wäre, würde die Wahrscheinlichkeit bestehen, dass die Murmel auf der anderen Seite des Hügels erscheint. Eigentlich gibt es das, aber für den Standardfall ist die Wahrscheinlichkeit so etwas wie eins zu einer Milliarde mal eine Milliarde mal eine Milliarde ,,, effektiv Null. Für Elektronen, die versuchen, eine Potentialbarriere zu passieren, funktionieren die Zahlen jedoch viel besser.
Jetzt haben Sie also die Möglichkeit, dass Elektronen einfach auf die andere Seite der Barriere springen, übrigens nennt man diesen Effekt Quantentunneln. Für einen nicht vorgespannten Transistor ist dies immer noch unglaublich klein, aber wenn Sie den Transistor vorspannen, ziehen Sie Ladungen von der Oberfläche ab, und Sie verringern die Barriere, die das Elektron überwinden muss, und erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen kreuzen.
Zusammenfassend also --- auf den Oberflächen, wo sich zwei Halbleiter treffen, gibt es eine Ladungsverteilung aufgrund der Dotierung. Diese Ladungen bilden eine elektrische Barriere für Elektronen, die die Barriere überqueren. Das Vorspannen des Transistors bewirkt, dass Ionen von der Oberfläche weggezogen werden, reduziert die Barriere, nicht genug, um Elektronen mechanisch kreuzen zu lassen, aber um Elektronen zu ermöglichen, quantenmechanisch zu tunneln. Je mehr Vorspannung, desto kleiner die Barriere, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen tunneln, desto mehr Elektronen tunneln.
N-Typ-Halbleiter haben mehr freie Elektronen als intrinsische Halbleiter und als p-Typ-Halbleiter. Halbleiter vom P-Typ haben mehr Leerräume als die beiden anderen Fälle. Wenn es eine Nähe zwischen den beiden gibt, bringt thermische Energie sie natürlich dazu, sich zu bewegen, um diese leeren Räume zu füllen (sie haben eine geringere Energie). Zusammenfassend haben wir Elektronen auf der n-Seite, die sich aufgrund der durch Akzeptoratome hinzugefügten Leerräume auf der anderen Seite in einem niedrigeren Energiezustand befinden könnten. Diese Elektronen diffundieren aufgrund thermischer Bewegung und füllen schließlich diese Räume.
Diese Diffusion lässt Kationen zurück (ohne dass ihre Elektronen global neutralisiert werden) und bildet Anionen. Das bedeutet, dass sich um den Übergang herum ein Raumbereich mit Nettoladung bildet. Diese Ladung bedeutet ein elektrisches Feld von den Kationen zu den Anionen, und dieses elektrische Feld wirkt einer weiteren Diffusion entgegen (wobei schließlich ein Gleichgewicht erreicht wird, wenn keine Vorspannung vorhanden ist). Dieser Bereich des elektrischen Felds hält Elektronen davon ab, sich von n nach p zu bewegen, und ist die Potentialbarriere, die über Halbleitervorrichtungen existiert.
Insbesondere bei Anreicherungs-MOSFETs verhindert die Potentialbarriere die Diffusion sowohl von der Source zum Substrat als auch vom Drain zum Substrat. Wenn Sie es eliminieren, erhalten Sie immer noch keinen Strom, da sich diese Charrier-Flüsse entgegenwirken. Sie müssen ein äußeres elektrisches Feld bereitstellen, um sie von der Quelle zum Abfluss zu schieben. (Sie könnten sich a priori von Drain zu Source bewegen, aber normalerweise ist der Substratanschluss mit einem von diesen kurzgeschlossen und dem, den wir Source nennen. Wir tun dies, um zu verhindern, dass der pn-Übergang, der zwischen einem von ihnen und dem Substrat gebildet wird, in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird).
LvW