¿Qué es exactamente una barrera potencial en los transistores?

Para la primera respuesta, esta barrera se debe a los diferentes materiales utilizados para construir el transistor. Piense en cada conexión en el transistor como un diodo.

Ahora, la fuente puede ser de material de tipo n (es decir, tener electrones libres adicionales) y el sustrato podría ser material de tipo p (es decir, tener agujeros adicionales - cargas positivas). Ahora, si no aplica ningún voltaje externo, habrá un estado de equilibrio en el que los electrones en el borde del material de tipo n pasarán al sustrato de tipo p. Esto daría como resultado la formación de una región de agotamiento neural de carga, y cualquier nuevo electrón que ahora necesite cruzar al sustrato de tipo p requerirá un voltaje externo adicional.

Este voltaje es su potencial de barrera.

Cuando se aplica un voltaje externo, este potencial de barrera se reduce a medida que los electrones pueden fluir más libremente, por lo tanto, encienden el diodo.

¿Por qué lo remito a los diodos? Esto se debe a que un transistor puede considerarse como un dispositivo con dos diodos conectados uno detrás del otro. ¡Una vez que entiendes cómo funciona un diodo, los transistores se vuelven fáciles!

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Es el potencial mínimo de un transistor de un material determinado para superar la energía mínima para que el electrón se libere de la sustancia

    

Mi conocimiento de la física de transistores no está actualizado, pero déjame intentarlo. Cuando los físicos hablan de "potencial", se refieren a energía (en realidad energía potencial por unidad de carga).

Imagine (como en los viejos días de tubos de vacío) un electrón moviéndose entre dos placas cargadas. El electromagnetismo básico dice que hay un campo eléctrico constante entre las placas. Para cruzar las placas, una carga eléctrica (por ejemplo, un electrón) debe tener cierta cantidad de energía cinética. El campo eléctrico creado por las cargas en la placa, contribuye a la energía potencial del sistema. La diferencia entre la energía potencial por unidad de carga en cada placa debido al campo eléctrico se denomina diferencia de potencial o voltaje.

Vemos esto principalmente en dos áreas donde los electrones se empujan entre las placas de un tubo de vacío y los aceleradores de partículas. Los físicos de partículas son perezosos. En lugar de usar ergs o julios para describir este tipo de energías, utilizan una nueva unidad de electrón-voltio o eV para abreviar (así como el KeV - Kilo-eV, el Mev Million-eV, GeV, Giga-eV, TeV Tera-eV etc.)

Entonces, ¿cómo se aplica esto a los transistores? Dentro de un semiconductor dopado hay una sopa de átomos, iones, electrones. Los electrones no están obligados a ir a ninguna parte. Es como un conductor. Pero en la superficie del material, los iones se acumulan para formar una carga neta.

Así que ahora imagina dos semiconductores dopados opuestos sentados en un vacío. La superficie de los dos forma algo similar a las placas cargadas arriba. Ahora trae las superficies juntas. La diferencia potencial sigue ahí. Los electrones necesitarán energía para ir de un lado al otro. Bueno (como un diodo) a través de una barrera p-n. Una barrera n-p no ofrece un obstáculo. Pero después pasa por una barrera y luego encuentra otra barrera del tipo opuesto. Así que la corriente no puede fluir.

Ahora necesitamos un pequeño truco de la mecánica cuántica. Imagina una canica sobre una superficie lisa con una colina. Esa canica puede moverse mucho, pero solo puede ir hasta la mitad de la colina. No tiene suficiente energía para ir más alto.

Esa canica no puede llegar al otro lado (asuma que no puede rodear la colina). Si la canica pudiera llegar al otro lado, podría existir perfectamente bien, pero la colina está en el camino. Entrar en la mecánica cuántica. Si esa colina fuera lo suficientemente pequeña, y el mármol fuera lo suficientemente pequeño, habría alguna probabilidad de que la canica aparezca al otro lado de la colina. En realidad, existe, pero para el caso estándar, la probabilidad es algo así como uno en mil millones de veces mil millones de mil millones, en realidad cero. Sin embargo, para los electrones que intentan atravesar una barrera potencial, los números funcionan mucho mejor.

Así que ahora tienes la posibilidad de que los electrones simplemente salten al otro lado si la barrera, por cierto, este efecto se llama tunelización cuántica. Para un transistor insesgado, esto todavía es increíblemente pequeño, pero si desvía el transistor, extrae las cargas de la superficie y reduce la barrera que debe atravesar el electrón, aumenta la probabilidad de que los electrones se crucen.

Para resumir --- en las superficies donde se encuentran dos semiconductores hay una distribución de cargos debido al dopaje. Esas cargas forman una barrera eléctrica para los electrones que cruzan la barrera. La desviación del transistor hace que los iones se retiren de la superficie, reduce la barrera. No es suficiente para que los electrones se crucen mecánicamente, sino para permitir que los electrones formen un túnel cuántico mecánicamente. A mayor sesgo, menor es la barrera, mayor es la probabilidad de que los electrones hagan un túnel, más electrones hacen ese túnel.

    

Los semiconductores de tipo N tienen más electrones libres que los semiconductores intrínsecos y los semiconductores de tipo p. Los semiconductores de tipo P tienen más espacios vacíos que los otros dos casos. Naturalmente, cuando hay una proximidad entre los dos, la energía térmica los hace moverse para llenar esos espacios vacíos (son de energía más baja). En resumen, tenemos electrones en el lado n que podrían estar en un estado de menor energía en el otro lado debido a los espacios vacíos agregados por los átomos aceptores. Estos electrones se difunden debido a la agitación térmica y eventualmente llenan esos espacios.

Esa difusión deja cationes atrás (sin sus electrones para neutralizar a nivel mundial) y forma aniones. Eso significa que hay una región espacial con carga neta que se forma alrededor de la unión. Esta carga significa un campo eléctrico desde los cationes a los aniones y este campo eléctrico se opone a una mayor difusión (que eventualmente alcanza un equilibrio si no hay polarización). Esta región del campo eléctrico evita que los electrones se muevan de n a p y es la barrera potencial que existe en los dispositivos semiconductores.

En particular, en los MOSFET de mejora, la barrera potencial impide la difusión tanto de la fuente al sustrato como del drenaje al sustrato. Si lo eliminas, aún no obtienes corriente porque esos flujos de charrier se oponen entre sí. Debe proporcionar un campo eléctrico externo para empujarlos desde la fuente hasta el drenaje. (Podrían a priori moverse del drenaje a la fuente, pero generalmente el terminal del sustrato está en corto a uno de esos y al que llamamos fuente. Hacemos esto para evitar la desviación hacia adelante de la unión pn formada entre cualquiera de ellos y el sustrato).