Рассматриваются физические явления в $p$-n-переходах и транзисторах и их использование в некоторых технических ус гройствах.
Возникновение $p$ – $n$-перехода. $p$ – $n$-Переход создается в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. Область, легированная донорными примесями, становится $n$-областью с электронной проводимостью, а область с акцепторными примесями становится $p$-областью с дырочной проводимостью.
В $n$-области концентрация электронов больше, а дырок – меньше, чем в p-области, а концентрация дырок больше в $p$-области. Поэтому после создания перехода электроны диффундируют из $n$-области в $p$-область, а дырки-в обратном направлении, в результате чего в $n$-области образуется положительный заряд, а в $p$-области -отрицательный (рис. 118). Возникающие в результате этого разность потенциалов и электрическое поле стремятся замедлить диффузию электронов и дырок. При некоторой разности потенциалов наступает равновесное состояние. Поскольку заряд электронов отрицателен, увеличение потенциала приводит к уменьшению потенциальной энергии электронов и увеличению потенциальной энергии дырок. Поэтому
в результате роста потенциала $n$-области потенциальная энергия электронов там уменьшается, а в $p$-области увеличивается. Потенциальная энергия дырок изменяется в противоположном смысле (рис. 119).
Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок, т.е. со штриховой кривой на рис. 119.
При указанном на рис. 119 графике потенциальной энергии создается поток электронов из $p$-области в $n$-область и поток дырок в обратном направлении. Иначе говоря, возникший потенциальный барьер противостоит диффузионному напору электронов и дырок с той стороны перехода, где их концентрация больше, т.е. противостоит диффузионному напору электронов со стороны $n$-области и диффузионному напору дырок со стороны $p$-области.
Потенциальный барьер возрастает до такой величины, при которой возникающее на переходе электрическое поле создает такие электрические токи электронов и дырок, которые полностью компенсируют диффузионные потоки соответствующих носителей через переход, в результате чего достигается стационарное состояние. В $n$-области электрический ток обусловливается движением электронов, которые там являются основными носителями. В $p$-области основными носителями служат дырки. Следовательно, электрическое поле на переходе создает электрический ток, состоящий из дырок, которые движутся из $n$-области в $p$-область, и из электронов, которые движутся из $p$-области в $n$-область. Образующийся суммарный электрический ток является током неосновных носителей, направленным из $n$-области в $p$-область; его плотность обозначим $j_{\text {н }}$ (рис. 119). Диффузионные потоки электронов и дырок составляют на переходе диффузионный ток основных носителей, направленный из $p$-области в $n$-область; его плотность обозначим $j_{0}$. В состоянии равновесия $j_{\text {н }}+j_{0}=0$. Для дальнейшего необходимо принять во внимание, что концентрация неосновных носителей, по определению, много меньше концентрации основных носи-
118
119
Изменение потенциальной энергии электронов и дырок в области перехода
телей и поэтому сила тока неосновных носителей ограничена.
Распределение электронов и дырок в $p$-n-переходе. Как было отмечено, электроны в зоне проводимости полупроводников и дырки имеют конечное время жизни. Поэтому дырки, проникающие из $p$-области в $n$-область, диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируют с электронами. Аналогично ведут себя избыточные электроны, попавшие из $n$-области в $p$-область. Поэтому
концентрация избыточных дырок в $n$-области и концентрация избыточных электронов в $p$-области убывают при удалении от границы между р- и $n$-областями. Это убывание экспоненциально,
что видно из следующих соображений. Из-за независимости вероятности аннигиляции электрона или дырки от истории ее предшествующей диффузии можно написать, что изменение
121
Внешняя рдзность потенциалов приложена так, что со стороны $n$-области потенциал отрицателен
122
Внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны $n$-области потенциал положителен
концентрации $\mathrm{d} n$ электронов или дырок в результате аннигиляции в течение времени $\mathrm{d} t$ должно быть пропорционально этому промежутку времени и концентрации:
\[
\mathrm{d} n=-(1 / \tau) n \mathrm{~d} t,
\]
где $1 / \tau$ характеризует вероятность аннигиляции. Отсюда получаем
\[
n=n_{0} \mathrm{e}^{-t / \tau} \text {, }
\]
т.е. экспоненциальное уменьшение концентрации со временем (рис. 120). С помощью понятия средней скорости диффузии отсюда сразу получается экспоненциальная зависимость концентрации от расстояния до границы раздела между $p$ – и $n$-областями. Вообще говоря, $\tau$ в (69.1а) может несколько различаться для электронов и дырок. Аналогично несколько различается и скорость спадания концентрации электронов и дырок по разные стороны от границы. В чистом германии при комнатной температуре значение $\tau$ составляет несколько тысячных долей секунды. Это приводит к заключению, что ширина перехода имеет порядок микрометра. При наличии примесей эта величина уменьшается и может быть сделана чрезвычайно малой при достаточно большой концентрации примесных атомов. Она уменьшается обратно пропорционально концентрации примесных атомов. Заряд, который перетекает из одной области в другую при образовании перехода, очень мал. Обычно энергия Ферми $p$ – и $n$-областей полупроводников различается примерно на 1 эВ. Поэтому разность потенциалов, возникающая на переходе и выравнивающая энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет порядок 1 В. Как показывает расчет, для создания такой разности потенциалов достаточно, чтобы через переход просочилось $10^{-13}-10^{-14} \mathrm{Kл}$ заряда, т.е. $10^{5}-10^{6}$ электронов.
Электрический ток через $p$-n-переход. Если внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны $n$-области потенциал отрицателен, а со стороны $p$-области-положителен, то потенциальные барьеры для основных носителей уменьшаются (рис. 121). Благодаря этому сила тока основных носителей увеличивается, поскольку для них уменышается потенциальный барьер. Сила тока же неосновных носителей практически не изменяется, потому что этот диффузионный ток в основном определяется концентрацией носителей и не зависит от разности потенциалов.
Если внешняя разность потенциалов приложена так, что со стороны $n$-области потенциал положителен, а со стороны p-области-отрицателен, то потенциальные барьеры для основных носителей увеличиваются (рис. 122). Благодаря этому гок основных носителей уменышается и практически становится равным нулю. Ток же неосновных носителей по-прежнему практически не изменяется по тем же причинам, что и в предыдущем случае. Ток в направлении от $n$-области к p-области пе идет.
Это направление называется запорным.
В направлении от $p$-области к $n$ области ток проходит нормально.
Это направление называется проходным.
Существование проходного и запорного направлений может быть также понято из следующих соображений: $n$-область характеризуется изобилием свободных электронов и очень скудным запасом дырок, а $p$-область имеет в изобилии дырки и очень бедна свободными электронами. Поэтому легко осуществимым является лишь
123
Вольт-амперная характеристика $p$ – $n$-перехода. Положительные значения напряжения $U$ соответствуют падению внешнего потенциала на переходе от $p$-области к $n$-области (т.е. ситуации, представлениой на рис. 121)
движение электронов из $n$-области в p-область и движение дырок из $p$-области в $n$-область, т.е. электрический ток в направлении из $p$-области в $n$-область. Это и есть проходное направление. Ток в обратном направлении практически невозможен, поскольку практически нет в наличии свободных электронов и дырок, которые могли бы осуществить этот ток. Это направление является запорным.
Из изложенного видно, что аналогичные явления должны возникнуть также на переходе между металлом и полупроводником.
Переход металл-полупроводник также обладает способностью пропускать электрический ток в одном направлении и не пропускать его в другом, причем полупроводник при этом может быть любого типа.
Это обусловлено тем, что даже $n$-полупроводник относительно металла может считаться чрезвычайно бедным в отношении свободных электронов. Ясно, что
проходным направлением на переходе металл-полупроводник является направление от полупроводника к металілу.
Вольт-амперная характеристика. Вольт-амперная характеристика $p$ – $n$ перехода показана на рис. 123. Таким
124
Вольт-амперная характеристика для $p$ – $n$-перехода в кремнии
125
Включение диода в схемы
126
Механизм действия туннельиого диода
образом, $p$-n-переход обладает односторонней проводимостью, а именно проводит ток только в направлении от $p$-области к $n$-области.
Наиболее распространенными материалами для создания $p$-n-переходов являются германий и кремний. $\mathbf{y}$ германия концентрация основных носителей болыше, чем у кремния; подвижность носителей также больше. Вследствие этого проводимость $p$-n-переходов в германии в проходном направлении значительно больше, чем у кремния, но зато и обратный ток больше. Преимуществом кремния является возможность эксплуатации при более высоких температурах.
Вольт-амперная характеристика, показанная на рис. 123 , хорошо описывает $p$ – $n$-переходы в германии. Однако $p$ – $n$-переходы в кремнии имеют вольт-амперную характеристику, отличную от изображенной на рис. 123. Для них вольт-амıерная характеристика показана на рис. 124. Возможной причиной такой вольт-амперной характеристики является очень малая концентрация неосновных носителей в кремнии. Поэтому при малых внешних напряжениях плотность тока неосновных носителей чрезвычайно мала и лишь при достижении 0,6 В сила тока начинает экспоненциально расти, как это происходит в германии начиная практически с нулевой разности потенциалов. Наличие сдвига 0,6 В в сторону положительных напряжений в вольт-амперной характеристике кремния очень важно принимать во внимание в кремниевых транзисторах. Для их удовлетворительного функционирования разность потенциалов между базой и эмиттером должна быть установлена примерно равной 0,6 В.
Емкость $p$-n-перехода. Как видно на рис. 120 , по разные стороны от границы между $p$ – и $n$-областями имеются противоположные заряды и имеется разность потенциалов между ними. Это означает, что
$p$-n-переход обладает определенной емкостью. Емкость зависит от напряжения, которое прилагается к переходу в запорном направлении.
В большинстве твердотельных устройств поперечная площадь $p$ – $n$-перехода обычно много меньше $1 \mathrm{~mm}^{2}$, и тем не менее они имеют емкости, ненамного менышие 50 пФ.
Наличие емкости у $p$-n-перехода сказывается на его работе при высоких частогах, поскольку перестройка плотности заряда несколько отстает от изменений приложенной разности потенциалов. Для уменьшения емкосги приходится использовать различные приемы, на которых мы не останавливаемся.
Диод. Переход, обладая односторонней проводимостью, действует как диод (рис. 125, $a$; стрелка показывает направление, в котором диод проводиг ток). Включение диода в проходном направлении приведено на рис. 125, б. Резистор сопротивлением $R$ включен в цепь для ограничения силы тока. Включение диода в запорном направлении изображено на рис. 125, в. Твердотельные диоды при надлежащем охлаждении удается использовать даже при очень больших токах порядка 1 кА.
Туннельный диод. При сильном легировании, когда концентрация примесных атомов становится достаточно большой, происходит расширение примесных уровней и они перекрывают границу между зонами, в результате чего уровень Ферми попадает внутрь зоны (либо проводящей, либо валентной). При этом на переходе возникает ситуация, изображенная на
рис. $126, a$. Как обычно, в отсутствие внешнего напряжения энергии Ферми по разные стороны перехода одинаковы. При сильном легировании переход узок и концентрация неосновных носителей мала.
При наложении внешнего напряжения в проходном направлении возникает обычный диодный небольшой ток. Однако ввиду того что по разные стороны перехода, разделенного потенциальным барьером, энергии носителей одинаковы, возникает туннельный эффект (см. § 29), в результате которого носители проникают через потенциальный барьер на другую сторону от перехода без изменения энергии. Благодаря этому через переход течет более значительный ток. При дальнейшем увеличении разности потенциалов энергия электронов в $n$-области у перехода увеличивается, а в р-области-уменьшается (рис. $126, б$ ) и область перекрытия примесных уровней начинает уменьшаться. В результате этого сила тока начинает уменьшаться. Максимум силы тока достигается при наиболее полном перекрытии зон (рис. 126,a). Когда примесные зоны сдвигаются друг относительно друга настолько, что каждой из них на другой стороне перехода противостоит запрещенная зона (рис. 126,б), туннелирование становится невозможным и сила тока через переход уменьшается. При достаточно больших разностях потенциалов зоны проводимости $n$ – и $p$-областей оказываются почти на одном уровне (рис. 126, в) и становится возможным возникновение обычного диодного тока. Сила тока начинает снова возрастать. Вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис. 127.
В интервале напряжений от первого максимума кривой до следующего за
127
Вольт-амперная характеристика туннельного диода:
$I$-туннельный ток,
2 -отрицательное сопротивление;
3 -обычный диодный ток
128
Выпрямление тока в двухтактном выпрямителе
129
Напряжение на нагрузке после выпрямления тока
ним минимума туннельный диод проявляет эффект отрицательного сопротивления, когда увеличение разнос ии потенциалов приводит к уменьшению силы тока.
Полезность этого эффекта состоит в том, что другие элементы электронной цепи имеют положительное сопротивление.
Если использовать туннельный диод в резонансном контуре, то его отрицательное сопротивление может компенсировать положительное сопротивление остальных элементов контура и процессы происходят так, как будто бы контур не имеет сопротивления.
Благодаря этому он будет осуществлять колебания тока точно на резонансной частоте и используется в высокочастотных усилителях и генераторах. Существование области отрицательного сопротивления не связано с тепловым возбуждением носителей, поэтому туннельный диод успешно функционирует и при гелиевых температурах.
Вырямление тока. Схема включения диодов для осуществления двухтактного выпрмителя показана на рис. 128. Емкость С служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. График напряжения на нагрузке после выпрямления показан на рис. 129.
Детектирование. Высокочастотный радиосигнал модулируется по амплитуде для передачи информации. Частота модуляции много меньше частоты радиосигнала. Поэтому для дешифровки информации необходимо произвести детектирование сигнала путем выделения огибающей амплитуды высокочастотного сигнала. Это достигается с помощью диода, включенного по схеме однотактного выпрямителя тока (рис. 130). Величины $R, C$ подбираются так, чтобы радиочастота достаточно хорошо выпрммлась, а частота модуляции сохранилась, т.е. временна́я константа $R C$ контура должна быть велика по сравнению с периодом радиочастотного сигнала, но мала по сравнению с периодом модуляции.
Детекторы также используются в схемах преобразования частот, частотной модуляции и др.
Стабилитрон. Если напряжение приложено в запорном направлении диода, то через него течет постоянный ток, практически не зависящий от напряжения (рис. 123). Для германия плотность этого тока составляет примерно 0,1 мкА/ $\mathrm{m}^{2}$, а для кремния$0,001 \mathrm{MKA} / \mathrm{m}^{2}$.
Если обратное напряжение превосходит некоторое критическое значение, то ток лавинообразно достигает очень больших значений.
Вольт-амперная характеристика этого явления показана на рис. 131.
При этом, по-видимому, осуществляются два процесса. При достаточно большом электрическом поле электроны и дырки в переходе успевают ускориться до таких энергий, что в состоянии вызвать ионизацию атомов и породить другие пары электронов и дырок. В результате начинается лавинный процесс образования носителей, приводящий к росту силы тока. Второй фактор связан с туннельным эффектом, позволяющим микрочастицам преодолевать потенциальные барьеры, имея недостаточную для этого энергию. Это чисто квантовый эффект, о котором уже говорилось в связи с туннельным диодом.
Образование лавины происходит при вполне определенной критической разности потенциалов, характерной для диода и зависящей от ширины $p$-n-перехода, температуры и т.д.
130
Включение диода для детектирования сигнала
131
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
132
Включение стабилитрона в сеть для обеспечения на нагрузочном сопротивлении постоянной разности потенциалов
Критическая разность потенциалов может быть порядка 100 В.
При критической разности потенциалов ток возрастает очень быстро, но падение потенциала на диоде остается практически постоянным. Поэтому такой режим работы может быть использован для получения постоянного опорного потенциала или для контроля потенциала в цепи, в которой он не может превосходить определенного значения. На рис. 132
133
Биполярные транзисторы:
$a$-npn-транзистор; 6 -pnp-транзистор
134
Обозначение транзисторов
135
Включение транзисгора по схеме с общим эмиттером
показано включение стабилитрона в цепь, чтобы обеспечить на нагрузочном сопротивлении $R$ постоянную разность потенциалов. На этой же схеме дан и симол для обозначения стабилитрона.
Светоизлучающий диод. При рекомбинации электронов и дырок при определенных условиях происходит испускание квантов излучения. Для
осуществления этого процесса необходимо создать избыток концентрации электронов в зоне проводимости по сравнению с концентрацией в условиях термодинамического равновесия, т.е. создать инверсную заселенность энергетических уровней в полупроводнике. При этом условии частота переходов электронов из зоны проводимости в валентную зону больше частоты переходов в обратном направлении и осуществляется испускание квантов излучения.
Нетрудно видеть, что инверсная заселенность уровней возникает вблизи $p$-n-перехода, включенного в проходном направлении. При соответствующих характеристиках $p$-n-перехода протекающий сквозь него ток возбуждает испускание света.
Биполярный транзистор. Траизистором называется монокристалл полупроводника, в котором соответствующим легированием создан узкий слой с $p$-проводимостью, разделяющий области с $n$-проводимостями (рис. $133, a$ ), или узкий слой с $n$-проводимостью, разделяющий области с $n$-проводимостями (рис. $133, б$ ). Иначе говоря, транзистор является совокупностью двух достаточно близко расположенных $p$ – $n$-переходов. В случае $a$ транзистор называется $n p n$-транзистором, а в случае б-рnp-транзистором.
Узкий слой в середине называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором. Крайние области, хотя и обладают одинаковым типом проводимости, отличаются друг от друга концентрацией примесных атомов.
Коллектор обычно содержит большую концентрацию примесных атомов. Для базы существенна ее узость, чтобы большинство носителей, пересекающих один из $p$ – $n$-переходов, могли до своей аннигиляции успеть пересечь также и второй $p$ – $n$-переход. В типичных условиях это означает, что ширина базы не должна превышать $0,1-0,2$ мкм.
Обозначения транзисторов указаны на рис. 134. Стрелки показывают направление тока через эмиттер.
Явления, происходящие в $n p n$ – и pnp-транзисторах, аналогичны, меняется лишь роль электронов и дырок. Поэтому будем рассматривать для определенности, например, $n p n$-транзистор. Его можно включить в цепь тремя способами в зависимости от того, какая часть транзистора соединяется с общей точкой схемы.
Включение по схеме с общим эмиттером. Это включение показано на рис. 135, причем к коллектору прикладывается самый болышой потенциал. Буквой $O$ обозначена общая точка контуров; $I_{6}, I_{3}$ и $I_{\text {к }}$-силы токов соответственно через базу, эмиттер и коллектор. На схеме видно, что переход между базой и эмиттером включен в проходном направлении и поэтому уменьшение напряжения в цепи базы сопровождается значительным ростом силы тока через эмигтер $I_{3}$, который осуществляется движением электронов в базу. Однако база представляет собой очень узкую область, через которую почти без потерь проходят носители. Это означает, что инжектированные с эмиттера в базу электроны почти без потерь достигают коллектора при условии, конечно, что последний обладает положительным потенциалом относительно эмиттера. Эти электроны образуют ток в цепи коллектора.
Сила гока очень мало зависит от напряжения на коллекторе, а определяе іся почти полностью напряжением на базе, поскольку именно от этого напряже-
ния зависит число электронов в единицу времени, попадающих на коллектор. Если в цепи коллектора включен резистор сопротивлением $R$, то падение напряжения на нем определяется в основном напряжением на базе.
Закон сохранения заряда в транзисторе записывается в виде
$I_{3}=I_{6}+I_{\mathrm{k}}$.
Для того чтобы сила тока на базу $I_{6}$ была достаточно малой, необходимо сделать толщину базы много меньшей длины, на которой электроны в материале базы аннигилируют. При указанных выше размерах базы удается добиться очень малых сил тока базы $I_{6} / I_{3} \approx 1 / 50$.
Из (69.2) для изменений сил токов получается
$\Delta I_{3}=\Delta I_{6}+\Delta I_{\text {к }}$.
Как уже было отмечено, малые изменения напряжения на базу изменяют существенно силу тока в цепи эмиттера-коллектора. Это означает, что
малые изменения $\Delta I_{6}$ силы тока в цепи базы сопровождаются значи гельными изменениями $\Delta I_{\text {к }}$ силы тока коллектора.
Усиление по току характеризуется коэффициентом
$\beta=\Delta I_{\mathrm{k}} / \Delta I_{6}$.
В обычных условиях для коэффициента усиления $\beta$ удается получить значения около 50 и больше. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером он действует как усилитель тока.
Включение по схеме с общей базой. Это включение показано на рис. 136 . Видно, что переход база-эмиттер включен в проходном направлении, а база-коллектор-в запорном. Следовательно,
в цепи коллектора сила тока не зави-
136
Включение транзистора по схеме с общей базой
137
Включение транзистора по схеме с общим коллектором
138
Схема полевого транзистора (a) и его включение в схемы (б)
сит от напряжения на коллекторе, а сопротивление очень велико (несколько миллионов ом).
В цепи эмиттера сила тока сущест венно зависит от напряжения на эмиттере, причем сопротивление цепи эмиттера мало. Электроны, вошедшие с эмиттера в базу, достигают коллектора и изменяют силу тока в его цепи. Изменения силы тока в цепи коллектора примерно равны изменениям сил тока в цепи эмиттера, однако после прохода через большое нагрузочное сопротивление получается значительное усиление по напряжению и мощности.
Примерное равенство сил токов через эмиттер и коллектор следует из (69.2), если учесть, что сила тока $I_{6}$ всегда мала. Усиление по напряжению в германиевых транзисторах достигает $10^{4}$.
Включение по схеме с общим коллектором. Оно показано на рис. 137. Переход база-коллектор работает в запорном направлении, причем коллектор включен последовательно с входным сигналом. Поэтому
входное сопротивление оказывается высоким. Выходное сопротивление оказывается низким, и, кроме того, получается значительное усиление по току.
Происходящие при этом процессы изучаются такими же методами, как и в предыдущих случаях.
Полевые транзисторы. В изученных выше транзисторах ток осуществляется обоими типами носителей. Такие транзисторы являются биполярными устройствами. В отличие от этого
полевой транзистор представляет монополярное устройство, поскольку ток в нем осуществляется лишь одним типом носителей (либо электронами, либо дырками).
Рассмотрим полевой транзистор, в котором ток осуществляется электронами. У этого транзистора канал, по которому течет ток, состоит из $n$-полупроводника (рис. 138). На рис. 138 канал расположен между электродом $И$, называемым истоком, и электродом $\mathrm{Cm}$, называемым стоком. С боков канала имеются две области с p-проводимостью. Совокупность этих двух полупроводников называется затвором. Между истоком и стоком прикладывается высокая разность потенциалов $U_{\text {ст и }}$ порядка $10-20$ В. Между истоком и затвором прикладывается обратная разность потенциалов $U_{3 \text { и }}$ меньшей абсолютной величины (от – 1 до – 3 В). Если берется канал $p$-типа, а затворы – $n$-типа, то полярность батарей необходимо изменить на обратную.
В канале электроны движутся от истока к стоку вблизи оси канала, причем поперечное сечение канала, по которому течет ток, зависит от приложенного к затвору напряжения. Это означает, что сопротивление канала току и сила протекающего по каналу тока контролируются приложенным к затвору напряжением. Поэтому полевой транзистор по своему действию аналогичен вакуумной лампетриоду, гричем исток играет роль катода, сток-анода, а затвор – сетки
Обозначение полевых транзисторов показано на рис. 139.
Механизм регулировки поперечного сечения канала приложенным к затвору напряжением состоит в следующем. Между $p$-областью затвора и $n$-областью, в которой образуется канал для тока, имеется $p$ – $n$-переход. В переходе отсутствуют свободные носители, за исключением небольшого числа элекронно-дырочных пар, возникающих в результате теплового движения. Образующийся в переходе
139
Обозначение полевых трднзисторов
пространственный заряд распределен в переходе так, как это было показано на рис. 120. Ширина перехода зависит от концентрации примесей, уменьшаясь с увеличением концентрации, и от разности потенциалов, возникающей на переходе. В полевом транзисторе с $n$-каналом (см. рис. 138) область канала легируется очень слабо, т.е. содержит небольшую концентрацию примесей, а $p$-области затвора содержат большую концентрацию примесей. Поэтому ширина переходного слоя в $n$-области очень велика, а в р-области – очень мала и практически отсутствует по сравнению с шириной переходного слоя в $n$-области. Ширина переходного слоя в $n$-области, как уже было сказано, увеличивается с возрастанием разности потенциалов в области. Поэтому с увеличением напряжения на затворе становится больше ширина переходного слоя и, следовательно, меньше ширина канала, по которому может течь ток, т.е. увеличивается сопротивление канала току. В этом и состоит действие полевого транзистора.
Ширина канала меняется вдоль его длины. Его ширина наименьшая у стока, потому что там наибольшая величина переходного слоя, обусловленная максимальностью запорного напряжения, слагающегося из потенциала затвора и потенциала стока. Со стороны истока переходный слой имеет минимальную ширину, а каналмаксимальную, потому что запорное напряжение здесь сводится практически только к запорному потенциалу. Обычно сумма запорного потенциала и потенциала стока выбирается достаточно большой, чтобы иметь возможность почти полностью перекрыть канал.
Полное перекрытие невозможно, потому что при сужении канала увеличивается плотность тока, а вместе с ней и электрическое поле в канале. При этих условиях сила тока $I_{\text {ст }}$ на стоке становится практически независимой от потенциала на стоке $U_{\text {ст }}$, но, конечно, продолжает зависеть от потенциала на затворе $U_{3}$, причем в определенных пределах эта зависимость почти линейна. Именно в этом режиме максимального перекрытия канала и используется полевой транзистор.
Название «полевой» этот тип транзисторов получил по механизму своей работы: ширина токового канала определяется напряженностью электрического поля в $p$-n-переходе между затвором и каналом.
Контроль тока в полевом транзисторе можно осуществлять не только с помоцью затвора из полупроводника другого типа, как это было описано, но и с помощью подобранного соответствующим образом металлического затвора, изолированного от канала. В качестве изолирующего слоя используются оксиды. Такие транзисторы называются металлооксидными полевыми транзисторами. Принцип их работы аналогичен описанному выше.
Интегральные схемы. С помощью легирования на одном монокристалле можно создать целую электронную схему. Такие схемы называются интегральными. Проводники, соединяю-
щие отдельные части схемы, вносятся с помощью соответствующего процесса в кристалл.
Переходы обладают емкостью и в таком качестве могут быть также включены в интегральную схему. Индуктивности малой величины также могут быть включены в интегральную схему в виде спиральных проводников. Однако в большинстве случаев интегральные схемы включают в себя сопротивления, диоды и транзисторы, а индуктивности подсоединяются к ним в виде отдельных дискретных элементов.
Главными преимуществами интегральных схем являются их малые размеры, связанная с этим быстрота прохождения процессов, малая потребляемая мощность, надежность в эксплуатации. Изготовление интегральных схем требует высокого технологического уровня производства. Однако, коль скоро такой технологический уровень достигнут, изготовление интегральных схем может быть сделано дешевым в расчете на элемент схемы, благодаря чему достигается значительное удешевление приборов, выполняющих определенные функции. Возможность в малых объемах размещать очень большое число элементов позволяет создавать устройства, которые без интегральных схем практически немыслимы.
Технология производства состоит в применении операций травления, напыления и диффузии в соответствующих местах монокристалла в определенной последовательности. Весьма трудной технологической задачей является создание шаблонов, с помощью которых осуществляются эти операции.
Для проектирования интегральных схем широко используются ЭВМ.
