קבל MOS – הבדלי גרסאות

אופן הפעולה של הקבל מתואר כאן עבור [[מוליך למחצה]] מסוג P, אולם ההסבר נכון גם עבור מוליך למחצה מסוג N, עם שינויים המתאימים במתחים וב[[מבנה פסים|מבנה הפסים]]. המצבים השונים יתוארו לפי סדר המתחים הפועלים על השער, החל מערכים שליליים וכלה במתחים חיוביים.

 

כאשר מופעל מתח שלילי ('ממתח אחורי') על השער, ה[[שדה חשמלי|שדה החשמלי]] שנוצר מושך [[חור (חשמל)|חורים]] אל פני השטח של המוליך למחצה, ואלקטרונים יצטברו על פני השטח של המתכת בקרבה למבודד. לחלופין ניתן לתאר זאת בתור כיפוף פסים כלפי מעלה של המל"מ בקרבת המבודד (כאשר [[רמת פרמי]] נשארת קבועה), אשר משמעותו ש[[פס ערכיות|פס הערכיות]] מתקרב עוד יותר לרמת פרמי, מה שמתבטא בעליה בריכוז החורים על פני השטח של המל"מ.

 

במצב זה, הגדלה של מתח השער השלילי, תביא להגדלה של כיפוף הפסים מעלה, או להצטברות של יותר חורים בפני השטח של המל"מ (מטען פני שטח) - ולכן הוא נקרא '''מצב אקומולציה'''. בתחום זה, ה[[קיבול]] של ההתקן הוא הקיבול של המבודד, והוא אינו תלוי ב[[מתח חשמלי|מתח]] - בדיוק כמו [[קבל]] קונבנציונלי.

 

כאשר המתח השלילי המופעל על השער קטֵן ומתקרב (או מגיע) לערכים חיובים, במתח מסוים כיפוף הפסים במוליך למחצה יהיה שווה לאפס. כלומר, הפסים במוליך למחצה יהיו '''ישרים'''. המתח על השער עבורו הפסים במוליך למחצה הם ישרים נקרא '''מתח יישור הפסים''', או '''Flatband voltage ''' והוא מסומן '''V_FB'''.

 

למתח יישור הפסים יש חשיבות דרסטית בביצועים של התקנים המתבססים על קבל MOS, ובפרט בביצועי [[טרנזיסטור MOSFET]]. במודל הפשטני של קבל MOS אידיאלי מתח יישור הפסים הוא בדיוק 0 [[וולט]]. בקבל MOS פרקטי מתח יישור הפסים תלוי בהפרש פונקציות העבודה בין המתכת לבין המוליך למחצה, בסה"כ המטענים במבודד ובפני השטח שלו, ובצפיפות המלכודות והמצבים בפני השטח של המוליך למחצה.

 

עבור מוליך למחצה מסוג P, אם מתח השער הוא חיובי יותר ממתח יישור הפסים, אזי הפסים בקרבת פני השטח של המל"מ יתכופפו כלפי מעלה. במילים אחרות, רמת פרמי מתרחקת מפס הערכיות ולכן המל"מ הופך להיות "פחות" מסוג P. המשמעות היא שבקרבת פני השטח של המל"מ יש פחות חורים בהשוואה לגוף המל"מ, כלומר: אזור פני השטח של המל"מ מדולדל מחורים, ולכן תחום המתחים הזה נקרא '''מִחְסוּר'''. האזור בו אין חורים נקרא '''אזור המחסור''' (depletion region).

 

במצב זה הקיבול הכללי הוא סכום בטור של שני קבלים: קבל המבודד (אותו קיבול כמו במצב אקומולציה), ואזור המחסור מהווה קבל נוסף. ב[[קבל|קבל במעגל חשמלי|חיבור בטור של קבלים]] הקיבול הכולל תמיד יהיה קטן מהקיבול הקטן ביותר (בדיוק כמו בחיבור נגדים במקביל). ככל שהמתח החיובי על השער גדל כך גדל עומק אזור המחסור, ה[[קיבול חשמלי|קיבול]] שלו יורד, ולכן הקיבול הכללי של קבל ה-MOS יורד בצורה חדה. בתחום המחסור השינויים בקיבול כתלות במתח הם החדים ביותר.

 

כאשר מתח השער מספיק גדול, כיפוף הפסים בפני השטח של המוליך למחצה מספיק גדול כך ש[[רמת פרמי]] חוצה את רמת פרמי האינטרינזית (הנמצאת בקירוב באמצע הפס האסור). במצב כזה, בעקבות גנרציה תרמית, קרוב מאוד לפני השטח יש יותר אלקטרונים מחורים, למרות שמדובר במל"מ מסוג P. במילים אחרות: קיים '''היפוך''' (אינברסיה) של סוג נושאי מטען הרוב קרוב מאוד לפני השטח. התכונה הזו מהווה את הבסיס לפעולתו של [[טרנזיסטור MOSFET]]. במצב כזה הגדלה של מתח השער לא תגדיל יותר את אזור המחסור, והמטען יאוזן ע"י נושאי מטען ההיפוך בפני השטח של המל"מ.

 

היפוך חזק מתחיל בנקודה ספציפית בתחום ההיפוך, בה המרחק של רמת פרמי מרמת פרמי האינטרינזית בפני השטח של המל"מ זהה למרחק שלה רחוק מהצומת, אולם בכיוון ההפוך. במילים אחרות, צפיפות מטען המיעוט (האינברסיה) בפני השטח של המל"מ זהים לצפיפות נושאים מטען הרוב רחוק מפני השטח של המל"מ. מתח השער בה מתרחש מקרה זה נקרא '''מתח הסף''' של [[[טרנזיסטור MOSFET]]], הנקודה בה הוא מוגדר כ"פתוח". למתח זה חשיבות רבה בתכנון של התקנים ומעגלים. כאשר הקבל נמצא במצב היפוך תחת מתח שער הנמוך ממתח הסף המצב נקרא גם '''היפוך חלש''' (weak inversion), וכאשר הוא גבוה ממתח הסף התחום נקרא היפוך חזק.