¿Puede un MOSFET funcionar al revés?

La línea de puntos muestra el nivel de Fermi. En promedio, todos los estados por debajo de esta línea están llenos de electrones y todos los estados por encima de esta línea están vacíos. Entonces, en la esquina superior izquierda, no hay electrones en la banda de conducción (por encima de la línea verde) ni huecos en la banda de valencia (por debajo de la línea roja) (todos los estados de valencia están llenos de electrones).

Esto no es correcto. El nivel de Fermi indica el nivel en el que un estado tiene un 50 % de posibilidades de ser ocupado por un electrón o un hueco. En sus diagramas (y con mucha frecuencia en semiconductores), el nivel de Fermi está dentro de la banda prohibida donde asumimos que no hay estados. Pero esto no significa que no haya electrones en la banda de conducción o huecos en la banda de valencia.

En sus diagramas hay órdenes de magnitud de más agujeros en la banda de valencia que los que existen naturalmente en un semiconductor no dopado. Se nota por lo cerca que está el nivel de Fermi del borde de la banda de valencia. El número de electrones en la banda de conducción se reduce sustancialmente siguiendo la ley de acción de masas:$np=n_i^2$.

No estoy del todo seguro de cómo leer estos diagramas, pero supongo que el voltaje de la puerta es positivo, ya que los electrones quieren moverse cerca de la puerta (tienen menos energía allí) y los agujeros quieren alejarse de ella. Eso debe significar que esto muestra un MOSFET de canal N.

Sí, el voltaje de la puerta es positivo, este es un dispositivo de n canales. Tiene razón sobre el voltaje de la puerta, aunque los voltajes aplicados externamente no determinan el tipo de dispositivo. Este sería un dispositivo de canal n porque el semiconductor en la región del canal está dopado con p y, presumiblemente, la fuente y el drenaje no están dopados.

En la imagen inferior izquierda, el voltaje de la puerta es más fuerte y la banda de conducción alcanza el nivel de Fermi. Esto significa que ahora hay algunos electrones libres en el lado izquierdo del canal que pueden usarse para conducir electricidad.

Sí correcto. Vea cómo a pesar de que el nivel de Fermi en realidad no cruza la banda de conducción, todavía habrá una carga de inversión sustancial que se muestra a la derecha. Este es el canal a través del cual puede fluir la corriente.

Si aplicamos un voltaje de polaridad opuesta a la puerta, ¿las bandas se doblarán?

Sí. La región del canal actuaría como un capacitor de mos operando en acumulación. Obtiene agujeros adicionales y elimina aún más parte de su ya pequeño suministro de electrones.

Y entonces, ¿el canal puede conducir usando agujeros?

Claro, si ignoramos las regiones de origen y drenaje por un minuto. Aunque el semiconductor en la región del canal ya podía conducir usando agujeros sin aplicar ningún voltaje de puerta, ya que allí ya había una cantidad sustancial de agujeros. Después de aplicar un voltaje de puerta negativo, hay aún más.

Sabemos que los MOSFET no funcionan de esa manera, por lo que sospecho que habrá un problema en el drenaje y la fuente que impide que el MOSFET conduzca.

Sí exactamente. El canal podría conducir sin invertirlo, pero no hay portadores inyectados desde la fuente que conduzcan a través del canal debido a las uniones pn entre la fuente y el canal y la unión entre el drenaje y el canal. Una vez que invierte el canal, estos cruces ya no están presentes.

Mire la vista lateral de un NMOS:

Observe cómo la puerta está encima de un sustrato de tipo P.

El canal es la capa conductora entre la fuente y el drenaje. Ese canal se activará cuando se aplique un voltaje positivo a la puerta .

Ese voltaje positivo atrae electrones del sustrato P hacia el canal conductor (¡que consiste en electrones!) entre las áreas de drenaje y fuente N+ (¡N+, así que hay muchos electrones libres allí!).

¿Qué pasaría si aplicáramos un voltaje negativo a la puerta?

Todos los electrones libres serían repelidos hacia el sustrato. Entonces, el área debajo de la puerta estaría vacía de electrones libres. Seguiría siendo un área de tipo P. Eso significa que no se forma ningún canal conductor entre las áreas de drenaje y fuente. Entonces no puede fluir corriente.

El camino de la fuente al drenaje consta de dos uniones PN: Fuente (N) - P-sustrato (P) - Drenaje (N) = NPN o dos diodos en antiserie: NP - PN y eso no permite que fluya la corriente (Estoy ignorando las corrientes de fuga).

Entonces, no, la aplicación de un voltaje de polaridad opuesta no hará que un MOSFET conduzca.