Полевой транзистор с управляющим P-N переходом

19.01.2017 19:04

Ученые, которые поняли, что можно менять силу тока, управляя напряженностью электрического поля, создали прибор и назвали его полевой транзистор, как вы уже догадались, в честь электрического поля.

 

 

Как вы помните из прошлой статьи, меняя напряженность электрического поля, мы тем самым создавали обедненный (запирающий) слой, который препятствовал движению электрического тока.

Достаточно будет вспомнить продавца хот-догов, который благодаря своему рабочему настрою мог запросто создать толпу из покупателей и преградить тротуар:

 

Поэтому, особо не напрягаясь, создатели полевого транзистора использовали тот же самый принцип, который использовал продавец хот-догов.

Просто вместо  тротуара они использовали полупроводник N или P-типа.  В нашем примере мы тоже будем использовать вместо "тротуара" полупроводник N-типа. То есть мы имеем какой-либо брусочек из N полупроводника. В нем преобладают электроны. Конечно, их не так много, как в проводниках, но все же их достаточно, чтобы через этот брусок  мало-мальски тёк электрический ток.

 

 

 

Что будет, если на него подать напряжение? Как я уже сказал, хотя в  N полупроводнике избыток электронов, но их все равно не так много, как в проводниках. Поэтому через этот кусок N полупроводника побежит слабый электрический ток.

Вы ведь не забыли, что хотя электроны и бегут к плюсу, но за направление электрического тока  во всем мире принято движение от плюса к минусу источника напряжения?

 

 

А теперь давайте впаяем в этот брусок полупроводник P-типа. Получится что-то типа этого:

 

 

Ого,  у нас на границе касания теперь образовался P-N переход с небольшим запирающим слоем!

 

Итого, у нас получился "кирпич" с тремя выводами.

Вывод, с которого начинают свой путь электроны (основные носители) называется ИСТОКОМ. От слова "источник". В разговорной речи мы источником называем родник, из которого бьет чистая вода. Поэтому нетрудно будет запомнить, что ИСТОК - это тот вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда. В данном случае это электроны. Место, куда они стекаются, называются СТОКОМ.

 

 

Эти два понятия нетрудно будет запомнить, если вспомнить водосточную систему с крыш ваших домов.

Истоком будет труба, которая собирает всю капли дождя с шифера или профнастила

 

 

А стоком будет конец  трубы, из которой вся дождевая вода будет выбегать на землю:

Но опять же, не забывайте, что мы говорим об электронах! А электроны бегут к плюсу. То есть по-нашенски получается что на СТОК мы подаем плюс, а на ИСТОК - минус.

 

 

А для чего нужен третий вывод?

Так, а давайте по приколу где-нибудь обрежем нашу водосточную трубу и воткнем туда вот такой прибамбас:

 

Называется он дисковым затвором. Чего бы мы добились, если бы воткнули этот дисковый затвор в нашу водосточную трубу? Да покрутив за баранку, мы могли бы регулировать поток воды! Мы можем вообще полностью перекрыть трубу, тогда в этом случае на стоке не стоит ждать дождевую водичку. А можем открыть наполовину, и регулировать поток воды со стока, чтобы при ливне у нас поток воды не смыл грядки и не сделал большую яму в земле. Удобно? Удобно.

 

Так вот, третий вывод полевого транзистора, который соединяется с P полупроводником называется тоже ЗАТВОРОМ и служит как раз для того, чтобы регулировать силу тока в бруске, через который бежит электрический ток ;-) Для этого достаточно подать на него напряжение, чтобы P-N переход был включен в обратном направлении, то есть в нашем случае подать МИНУС относительно ИСТОКА. Вся картина в целом будет выглядеть как-то вот так:

В этом случае, как вы видите на рисунке выше, запрещенный слой увеличивается в глубину бруска и начинает перекрывать дорогу электронам. В результате получается, что ширина "тротуара" для электронов стает меньше, и только некоторые электроны могут достичь назначенной цели, то есть СТОКА. Этот "тротуар" в полевом транзисторе называют каналом. Так как у нас брусок сделан из N-полупроводника, следовательно и канал тоже у нас N-проводимости. Следовательно, такой  полевой транзистор называется N-канальным полевым транзистором с управляющим P-N переходом. На буржуйский манер это звучит как Junction Field-Effect-Transistors или просто JFET. Также неплохо было бы запомнить английские название выводов: Drain - сток, Source - исток, Gate - затвор.

 

 

А что будет, если на Bat2 мы еще больше добавим напряжения? То есть мы сделаем так, чтобы U2>U1. В этом случае у нас запирающий слой еще больше уйдет в брусок. Канал станет еще тоньше. Следовательно, увеличится сопротивление канала, что в свою очередь вызовет уменьшение силы тока через канал:

 

 

Если мы еще увеличим напряжение (U3>U2), то заметим, что при каком-то напряжении U3 у нас вообще перестанет течь ток через канал. Запирающий слой ПОЛНОСТЬЮ его перекроет:

Все, приехали... В этом случае мы ПОЛНОСТЬЮ перекрыли канал для дальнейшего движения электронов. А раз движуха электронов закончилась, то  откуда взяться электрическому току?  Ведь электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц, не так ли? Поэтому через исток-сток электрический бежать не будет.

 

 

Ну что же, приступаем к практике.

В гостях у нас полевой N-канальный транзистор с управляющим P-N переходом 2N5485:

Его распиновка будет выглядеть вот так:

 

 

Вживую он выглядит вот так:

 

 

 

Для того, чтобы проверить писанину, которую вы прочитали,  соберем  вот такую схемку по рисункам выше:

Для удобства восприятия я нарисовал транзистор, как он выглядит визуально.

 

 

Какие же напряжения допускаются при его эксплуатации? Если кому интересно, вот  на него даташит . Оттуда я взял безопасное напряжение для его проверки 15 Вольт, поэтому на Bat1 выставляю напряжение в 15 Вольт:

 

 

На Bat2 пока что устанавливаю 0 Вольт.

То есть это значит, что напряжение на Затвор-Истоке UЗИ=0 Вольт. А раз 0 Вольт, то канал у нас полностью открыт и электрончики в N полупроводнике спокойно бегут в одном направлении по своим делам. Но опять же, N полупроводник считается плохим проводником, так как в нем мало электронов. Поэтому, сила тока полностью открытого канала у нас будет 6,2 мА при напряжении в 15 Вольт. Сейчас даже можно вычислить сопротивление канала из закона Ома. R=U/I=15/6,2x10-3=2,42 КилоОма.

 

Если сравнивать эту ситуацию с продавцом хот-догов, то у нас это аналогично моменту, когда продавец еще дрыхнет дома:

 

 

А давайте добавим напряжение на Bat2 до полувольта.

 

 

Смотрим на миллиАмперметр

Видели да? Сила тока через сток-исток уменьшилась!

Этот момент аналогичен тому, когда продавец только открыл свою лавку, и первые зеваки начинают тусить возле нее

 

 

А давайте еще добавим напряжение на Bat2 до 1 вольта:

 

Что мы видим на миллиАмперметре?

Сила тока через Сток-Исток стала еще меньше! Но почему она стает меньше? Да дело в том, что запирающий слой стает все более толще от напряжения, тем самым уменьшая токопроводящий канал.

Это аналогично, когда продавец начинает уже тихонька напрягаться:

 

 

Давайте еще добавим полвольта на Bat2:

 

 

Смотрим на миллиАмперметр:

Сила тока через канал стала еще меньше!

 

 

До какого же значения можно добавлять напряжение на Bat2? Уже при напряжении 2,3 Вольта

 

 

Электрический ток через канал полностью перестает бежать.

Канал стает полностью перекрытым.

 

Ну а этот момент аналогичен, когда продавец настолько напрягся, что перекрыл весь тротуар зеваками:

 

Дальнейшее увеличение напряжения на Bat2 уже ни к чему не приведет. Всегда можно подобрать такое обратное напряжение на ЗАТВОРЕ, при котором токопроводящий канал СТОК-ИСТОК будет полностью перекрыт.

 

 

Минуточку внимания. Все, что написано выше, мы применяли к N-канальному транзистору. Почему N-канальный, я думаю, вы уже догадались. Его внутреннее строение, как вы уже читали выше в статье, выглядит вот так:

 

И на схемах такой транзистор изображается вот так:

 

 

Но есть также и P-канальный полевой транзистор с управляющим P-N переходом. Как вы уже догадались из названия, его канал сделан и полупроводника P-типа. Его внутреннее строение выглядит вот так:

 

 

На схемах обозначается так:

Обратите внимания на стрелочку по сравнению с N-канальным транзистором.

 

 

Принцип его действия точно такой же, просто основными носителями заряда будут являться уже дырки. Следовательно, все напряжения в схеме  меняем на противоположные:

Также не забываем, что вывод, откуда начинают движение основные носители (как вы помните в P полупроводнике это дырки), называется ИСТОКОМ.

 

P-канальный транзистор используется еще реже, чем N-канальный. Да и вообще, полевые транзисторы с P-N переходом давно уже канули в лету, но все таки кое-где до сих пор применяются. На смену им пришли полевые транзисторы с изолированным затвором, о которых я поведу речь в следующих статьях.

Продолжение ...

 

Читайте также: 

Полевой транзистор. Введение

 

Полевой МОП-транзистор

 

Биполярный транзистор. Введение