¿De dónde vienen los electrones móviles para formar una capa de inversión en un N-MOSFET?

1 es cierto cuando$V_g > V_{th}$

En$V_g = V_{th}$hay suficientes electrones "tirados" del sustrato de tipo P para formar una región neutra en el silicio justo debajo del óxido. Todos los agujeros han "atrapado" un electrón, por lo que no hay electrones libres, por lo que no puede haber un canal.

Cuando$V_g > V_{th}$habrá electrones "extra" que no pueden ser "atrapados" por un hueco porque todos los huecos ya tienen un electrón. Estos electrones adicionales son libres de moverse y forman un canal conductor.

con respecto a 2: De hecho, no es necesario que haya una fuente y / o drenaje para que exista el canal, es una propiedad de una estructura MOS en sí misma.

Por lo tanto, se forma una región de agotamiento porque los agujeros en el sustrato p se agotan por la carga negativa creada en la interfaz de óxido de la puerta (no estoy seguro de esto). Aquí se crean electrones pero están inmóviles porque se han recombinado con los huecos en el sustrato p.

No. Ver más adelante. Los aceptores ionizados son aquellos que no pueden moverse.

Ahora, cuando aumentamos el voltaje de la puerta igual al voltaje de umbral (Vth), se crean aún más electrones debajo del óxido que no pueden tener agujeros para recombinar ya que hay una barrera de región de agotamiento (creada por el paso 1) para llegar al siguiente agujero. Por lo tanto, estos electrones son móviles en la interfaz entre el sustrato y el óxido. Esta es una capa de electrones móviles, formando una capa de inversión.

Sí, se generan electrones, pero ver más adelante.

La aplicación de un potencial positivo en el terminal Gate crea electrones libres en la interfaz entre el sustrato y el óxido.

Es una forma muy simple de ver esto. Por cierto, el potencial debe ser positivo con respecto al grueso.

La capa de inversión se crea solo debido a la estructura MOS (sin influencia de las regiones de origen o drenaje).

En un condensador MOS sí, ya que no hay regiones n ⁺⁺ . Los electrones se crean debido a la tasa de generación de pares electrón-hueco distinta de cero (que es un fenómeno muy lento). En un nMOSFET, la fuente inyectará los electrones. Es por eso que los MOSFET pueden funcionar a muchos GHz.

Como funciona

Primero, consideremos un condensador nMOS. Que no es lo mismo de un nMOSFET, mencionado en el título (que además tiene una diferencia fundamental: las difusiones n ⁺⁺ ).

Cuando aplica un voltaje de puerta positivo "pequeño" con respecto al volumen, ("pequeño" para que el potencial de superficie$\phi_s<\phi_f$), el campo eléctrico barre los agujeros de la interfase, dejando algunos de los aceptores ionizados (es decir, cargados negativamente). Dichos iones no pueden moverse, por lo que la carga es "fija".$Q_B$crecerá con el aumento del voltaje de puerta a masa.

Cuando$\phi_s=\phi_f$, los iones por sí solos no pueden equilibrar la cantidad requerida de carga negativa, dictada por la distribución de Fermi-Dirac. Por lo tanto, los electrones comenzarán a acumularse cerca de la interfaz.

¿De dónde vienen tales electrones?

De hecho, uno podría decir: no solo el semiconductor es de tipo p (la fuente de alimentación no puede inyectar electrones en el volumen), sino que también hay una región de agotamiento.

Bueno, en un semiconductor en equilibrio, la recombinación y la generación de pares de electrones huecos ocurren con la misma velocidad. Si hay una perturbación prevalecerá uno de los dos mecanismos, hasta que se alcance nuevamente el equilibrio. De ahí es de donde vienen tus electrones. Los agujeros serán barridos por el campo.

Por cierto, este proceso de generación será muy lento , y es por eso que el efecto de la capa de inversión no se puede ver con mediciones de CV de frecuencia "alta" (decenas de Hz).

Un aumento adicional del voltaje de la puerta inducirá un aumento adicional de$\phi_s$, con más y más electrones acumulados (la región de agotamiento aún crece). Hasta$\phi_s<2\cdot \phi_f$, la densidad de electrones es menor que la densidad del dopante y "pueden despreciarse". Convencionalmente, dejamos de "descuidar" los electrones móviles cuando su densidad es igual a la densidad del dopante. A ese punto lo llamamos inversión (tu paso 2 ).

Para voltajes de puerta aún más altos, la densidad de electrones aumentará mucho más rápido (exponencialmente) con respecto a la región de agotamiento. Por lo tanto, podemos suponer que la región de agotamiento deja de crecer y la carga depende linealmente de$V_{GB}-V_{TH}$.

En cambio, en un nMOSFET , los electrones de la capa de inversión son inyectados rápidamente por la fuente n ⁺⁺ (tenga en cuenta que en un MOSFET simétrico plano, la fuente se distingue por el drenaje solo por su potencial). Esta es la razón por la que los nMOSFET son muy rápidos.