óxido de silicio - voltaje de interfaz de aluminio

Se crea una diferencia de voltaje cada vez que conducen dos materiales dopados de manera diferente. Puede parecer que estos no conducirán, pero dado que los electrones y los huecos pueden moverse, la corriente puede fluir (al menos hasta cierto punto).

Tenemos dos portadores de carga, los cuales juegan un papel. Centrémonos en los electrones adicionales en la "región n". Intentarán difundirse a la región p, ya que la concentración es menor, pero pronto se opondrán al voltaje creado por todos los electrones que se acumulan en la región n. El equilibrio se establece cuando el voltaje equilibra la "fuerza" de difusión y una fracción muy pequeña de los electrones tiene que moverse.

El voltaje incorporado es el voltaje creado cuando un semiconductor dopado p y dopado n se ponen en contacto.

¿Por qué no podemos extraer energía perpetua de este voltaje libre? Para hacerlo, se necesitaría un circuito completo, en el que los electrones fluyan desde la región p, a través de los cables y de regreso a la región n. El gradiente de voltaje es "cuesta abajo", pero el gradiente de concentración es "cuesta arriba" (ya que las regiones n tienen muchos más electrones). Los términos cuesta abajo y cuesta arriba se cancelan y no fluirá corriente.

Nos enfocamos en los electrones, pero los huecos también contribuyen. La imagen es similar pero más complicada.

En cuanto a este "voltaje incorporado" creará una diferencia igual en el voltaje de umbral FET, no estoy seguro.

Kevin tiene razón. Esto es lo que sucede cuando la unión está en equilibrio dinámico:

Cuando las dos uniones se colocan juntas, los electrones difundidos entran en contacto con los huecos del lado P y se eliminan por recombinación. Lo mismo ocurre con los agujeros difusos en el lado N. El resultado neto es que los electrones difundidos y los huecos desaparecen, dejando atrás los iones cargados adyacentes a la interfaz en una región sin portadores móviles (llamada región de agotamiento). Los iones no compensados ​​son positivos en el lado N y negativos en el lado P. Esto crea un campo eléctrico que proporciona una fuerza que se opone al intercambio continuo de portadores de carga. Cuando el campo eléctrico es suficiente para detener una mayor transferencia de huecos y electrones, la región de empobrecimiento ha alcanzado sus dimensiones de equilibrio.

A lo que se refieren es a la función de trabajo . Aunque las funciones de trabajo se aplican técnicamente a superficies de materiales en vacío, también funcionan dentro de lo razonable para materiales dieléctricos aislantes.

El voltaje de umbral requerido para encender la capa de inversión de una estructura MOS depende del material de la puerta. Cuando el dispositivo está en equilibrio, en realidad prefiere tener un pequeño campo eléctrico dentro del aislador y, por lo tanto, una pequeña carga superficial predeterminada dentro del semiconductor y la compuerta. Este campo eléctrico depende de la diferencia de la función de trabajo entre el material de la puerta y el semiconductor.

Puede parecer sorprendente que un dispositivo prefiera tener un campo eléctrico incorporado, pero recuerde que las uniones PN también tienen campos eléctricos incorporados (ver otras respuestas). En general, cualquier superficie o interfaz puede tener un campo eléctrico incorporado.

Sze habla un poco sobre este efecto de función de trabajo de puerta ( Physics of semiconductor devices 3rd ed , page 225-226 / Chapter 4 figures 20-22).