Полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET-транзистор)

Полевой транзистор с управляющим PN-переходом — это очень мутная тема для многих начинающих электронщиков.

Электрическое поле

Как вы знаете, поле бывает разным. Бывает такое:

А бывает и такое))

Но речь пойдет совсем о других полях: невидимых… Мы их не видим, не слышим, но можем почувствовать. Например, гравитационное поле Земли тянет нас к центру Земли, хотим мы этого или нет. Некоторые виды полей без специальных приборов мы даже и не заметим. Это электрическое и магнитное поле. В данной статье мы с вами разберем электрическое поле.

Представьте себе, что мы взяли пару металлических пластинок. На одну из них мы подаем плюс питания, а на другую – минус.

В результате, они заряжаются, и между этими двумя пластинами создается однородное электрическое поле, которое характеризуется таким параметром, как напряженность. По идее, чем больше мы подадим напряжения между пластинами, тем напряженнее стает поле между этими пластинами.  Физика, 7-8 класс ;-)

Но самое интересное, что это поле может влиять непосредственно на электроны. Если электрон пролетит между этими двумя пластинами, плюсовая пластина  начнет притягивать его к себе и траектория полета электрона будет уже искривлена. Чем больше напряженность поля, тем больше оно будет влиять на траекторию движения электрона. На этом принципе основана работа кинескопных телевизоров.

Какой вывод можно сделать из всего этого? Электрическое поле влияет на электроны и не только на электроны, но и на другие частицы, обладающие положительным, либо отрицательным зарядом. Это утверждение запомним. Оно нам еще пригодится.

Также вы со школы должны помнить еще одно утверждение: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:

Взаимодействие полупроводников

Мы с вами  знаем из статьи Биполярный транзистор, что есть два типа искусственных легированных полупроводников. Это полупроводник N-типа и полупроводник P-типа. Как вы помните, в полупроводнике N-типа у нас избыток электронов (там их ОЧЕНЬ много):

А в полупроводнике P-типа избыток дырок:

Если вы не забыли, электроны у нас обладают отрицательным зарядом ( — ), а дырки – положительным зарядом ( + ). Поэтому, на картинках мы заполнили наши бруски полупроводников соответствующими зарядами.

А что будет, если соединить их друг с другом?

Так как электроны и дырки постоянно находятся в хаотическом движении, на границе соединения P и N полупроводников начнется диффузия. Что такое диффузия? Как говорит нам Википедия, диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества. (более подробно в статье про строение атома).

Пример:

Если пустить шептуна на парах, то в этом случае ваши вонючие молекулы из пукана будут смешиваться с молекулами воздуха и сосед через парту учует ваш запах пельменей, которые вы съели на ужин.

На границе полупроводников происходит то же самое! Электроны и дырки начинают смешиваться.

Но если ваши вонючие молекулы, выпущенные из пукана, могут спокойно смешиваться с воздухом пока не займут все пространство кабинета, то на границе P-N перехода есть камень преткновения. И он заключается в том, что электроны и дырки обладают зарядом и начинают взаимодействовать с друг другом. Начинает работать правило, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Так как электроны и дырки разноименных зарядов, они начинают притягиваться к друг другу. То есть с одной стороны идет диффузия, а с другой стороны взаимодействие зарядов. Когда все это устаканивается, получается вот такая картинка:

Что такое запирающий слой

Область, которая возникает между этими зарядами, называется запирающим слоем. Его также называют обедненным, от слова «бедный», так как в нем нет основных носителей. Как вы помните, основные носители в N полупроводнике — это электроны, а в P полупроводнике — дырки. А раз нет свободных зарядов, то и электрический ток течь не может, так как электрический ток — это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Получается, эта область по сути стает  диэлектриком , то есть областью, которая не проводит электрический ток.

Ну а теперь самое интересное. Оказывается, мы можем управлять толщиной этого запирающего слоя! Для этого достаточно увеличить напряженность электрического поля с помощью источника питания, то есть увеличить подаваемое напряжение, соблюдая необходимую полярность. Плюс источника напряжения подаем на N полупроводник, а минус источника — на P полупроводник.

Вот что у нас получится:

Электроны стремятся всей толпой к плюсовой клемме батареи, а дырки — к минусовой. В результате этого, запирающий слой стает намного шире. Это равносильно тому, что мы подаем обратное смещение на P-N переход. Чем больше напряжения мы подаем на P и N полупроводник, тем больше ширина запирающего слоя. Все элементарно и просто ;-)

А ты знаешь какая единица измерения сопротивления ? Читай.

Если бы мы подали на P полупроводник  плюс, а на N  — минус, то у нас бы запирающий слой равнялся бы нулю и электрический ток прошел бы беспрепятственно через P-N переход. Как вы помните, это называется прямым включением P-N перехода. Но в этом случае мы должны подать напряжение больше, чем контактная разность потенциалов на границе переходов. Она равняется 0,6-0,7 Вольт, если используется материал кремний. Как только напряжение стает больше, чем 0,6-0,7 Вольт, начинается движение электрических зарядов. Диффузия усиливается еще тем, что электроны бегут к плюсовой клемме, а дырки — к минусовой.

Применение запирающего слоя в JFET транзисторах

Но где же можно применить свойство «изменение толщины диэлектрика под воздействием напряженности электрического поля»? А давайте рассмотрим небольшой пример. Может быть вам потом станет ясно, где можно применить это свойство ;-)

Итак, провинциальный городок X. Обычный будний день. Поток людей спешит по своим делам. Около тротуара стоит лавка с хот-догами. Пока что она еще не открылась, так как продавец сладко спит,  поэтому все проходят мимо этой лавки:

Но вот она открывается, и первые зеваки начинают «тусить» возле нее, чтобы отведать позавчерашних холодных протухших хот-догов)).

Продавец видит, что дела идут в гору и начинает еще быстрее обслуживать клиентов. То есть он вкладывает всю свою энергию, чтобы выдержать темп. Он начинает работать напряженнее. Чем напряженнее он обслуживает клиентов, тем их становиться больше. Зевакам ведь интересно, что за тусовка там намечается. А раз все покупают, то и они тоже хотят. Народу становится чуток больше.

Народ тихонько подваливает и продавец, чтобы не упустить выгоду, начинает работать изо всех сил. Наш бедный продавец работает, как белка в колесе. Тут уже не расслабишься, иначе народ уйдет к продавцу пончиков. На лбу у него выступил пот, напряжен так, что вот-вот уже лопнет от усталости! Но гляньте на тротуар… Движение ПЕРЕКРЫЛИ зеваки, которые жить не быть хотят купить эти протухшие хот-доги.

Мораль сей басни такова:

Коль хочешь жрать, готовь с утра).

Теперь давайте представим, что тротуар — это проводник. Люди — это электроны. Продавец — это какой-либо заряд, который если захочет, может работать либо напряженнее, либо вообще закрыть лавку.

Итак, что у нас тогда получается. Пока лавка закрыта, толпа зевак спокойно идет по своим делам в одном направлении. Продавца нет на месте. То есть заряд ноль. Это значит, что в данном направлении у нас спокойно течет электрический ток,  так как упорядоченное движение заряженных частиц — это и есть электрический ток

Как только продавец открыл лавку и стал работать,  некоторые зеваки стали толпиться у лавки. Но эта кучка зевак теперь мешается на тротуаре людям, которые действительно куда-то спешат по делам. То есть эта кучка зевает оказывает сопротивление потоку людей, спешащим по делам. Уже интереснее. Раз мешаются, значит меньше людей сможет пройти ниже толпы зевак за какое-то время. А что у нас значит этот параметр? Не силу тока ли случайно? Вот именно! Сила тока стала меньше!

Итак, теперь главный вопрос: от чего зависит поток людей? Да от продавца, мать его за ногу!

Как только он начинает орать: «Свежие хот-доги, бери, налетай, теще покупай!», народу стает больше. То есть как только он начинает работать напряженнее, так и толпа зевак начинает больше заграждать тротуар. И все может закончится тем, что движение на тротуаре встанет колом. И да, кстати. Стоящая толпа зевак — это уже не электроны. Это обедненный слой, диэлектрик)

И вот ученые инженеры, которые поняли, что можно менять силу тока, управляя напряженностью электрического поля, создали радиоэлемент, который назвали в честь электрического поля, и имя его полевой транзистор.

Схема полевого JFET-транзистора с управляющим PN-переходом

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 электрический ток, если мы приложим к нему постоянное или переменное напряжение.

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:

Можно сказать, что у нас уже получился полевой транзистор.

На границе касания теперь образовался PN-переход с небольшим запирающим слоем!

Итого, у нас получился «кирпич» с тремя выводами.

Что такое сток, исток и затвор

Полевой транзистор имеет три вывода. 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.

Это конечно не 5 элемент, НООО!!! элемент пельтье.

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.

Цветная маркировка резисторов — известна по калькулятору.

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:

Канал полевого JFET-транзистора

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.

Как работает полевой JFET-транзистор на практике

Ну что же, приступаем к практике.

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

Его распиновка будет выглядеть вот так:

В живую он выглядит вот так:

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

Для удобства восприятия я нарисовал полевой 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 U_ЗИ=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=15/6,2×10^-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:

Р-канальный JFET-транзистор с изолированным PN-переходом

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.

Внутреннее строение транзистора с управляющим PN-переходом

Для того, чтобы проверить полевой транзистор с управляющим PN-переходом, достаточно вспомнить его внутреннее строение.

N-канальный выглядит вот так:

А P-канальный вот так:

Теперь давайте вспомним, какой радиоэлемент у нас состоит из PN-перехода? Все верно, это диод. Получается что Затвор и Исток образуют один диод, а Затвор и Сток — другой диод. Сам канал обладает каким-то сопротивлением, а это есть нечто иное как резистор.

Для N-канального транзистора

Эквивалентная схема будет выглядеть вот так:

Для P-канального

Эквивалентная схема будет выглядеть вот так:

Получается, для того, чтобы узнать целостность транзистора, нам достаточно проверить все эти три элемента ;-)

что такое транзистор ? Узнайте.

Как проверить транзистор с управляющим PN-переходом с помощью мультиметра

У нас в гостях уже знакомый вам из прошлой статьи N-канальный полевой транзистор с PN-переходом 2N5485

Сейчас мы будем проверять его на работоспособность.

Впрочем, не так быстро! Полевые транзисторы больше всего боятся статического электричества, особенно МОП-транзисторы. Поэтому, прежде чем начинать проверку, стоит снять статику с себя (и с того, чем ещё можем его коснуться). Можно заземлить себя, скажем, с помощью водосточной или отопительной трубы (коснувшись металлической части трубы без лакокрасочного покрытия). Но лучше всего для этого дела подойдет антистатический браслет.

Для этого нам понадобится мультиметр:

Для проверки полевого транзистора с управляющим PN-переходом первым делом качаем на него даташит и смотрим расположение его выводов (цоколевку).

Вот кусочек даташита моего транзистора с цоколевкой:

Если его повернуть задом к нам, как в даташите, то слева-направо у нас идет Затвор, Исток, Сток

Там же в даташите указано, что он N-канальный.

Ну что же? Начнем проверку?

Так как транзистор N-канальный, следовательно, встаем на Затвор красным щупом мультиметра и проверяем диоды. Проверяем диод Затвор-Исток:

Норм.

Проверяем  диод Затвор-Сток:

Норм.

Как вы помните, диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Поэтому, когда мы поменяем полярность и снова проверим диоды, то увидим на экране мультиметра очень большое сопротивление:

Ну а теперь остается проверить сопротивление между Истоком и Стоком. Для того, чтобы его замерить, мы должны подать на Затвор 0 Вольт. Будет большим заблуждением, если мы оставим Затвор болтаться в воздухе, так как в этом случае вывод Затвора — это как маленькая антенна, которая ловит различные наводки, а следовательно имеет уже какой-то потенциал, что конечно же, сказывается на сопротивлении Исток-Сток. Поэтому, цепляемся мультиметром к Стоку и Истоку, а Затвор берем в руку. В идеале, хорошо было бы взяться другой рукой за отопительную батарею, чтобы полностью заземлить Затвор.

Можете для начала прочитать про электрическое сопротивление.

На мультике должно высветится какое-либо сопротивление:

Что-то показывает? Значит все ОК ;-). Транзистор жив и здоров.

Как проверить транзистор с управляющим PN-переходом с помощью RLC-транзисторметра

Также есть второй способ проверки транзистора с управляющим PN-переходом. Но для этого нам понадобиться транзисторметр, прибор который умеет замерять почти всё. Вставляем транзистор в кроватку и зажимаем рычажком. Нажимаем зеленую кнопку «Пуск» и прибор нам выдает схемотехническое обозначение нашего подопечного с обозначением выводов:

Ну разве не чудо?

N-JFET — N-канальный транзистор с управляющим P-N переходом. G-Gate-Затвор, D-Drain-Сток, S-Source-Исток. Также навскидку даются два параметра: Ugs и I.  Ugs — это напряжение между Затвором и Истоком (Gate-Source). I — сила тока через канал, то есть через Исток-Сток. Следовательно, прибор показывает, какая сила тока будет течь через Исток-Сток, при таком-то напряжении на Затворе. По идее, эти два параметры на практике не нужны. Они вам просто показывают, что транзистор живой и что с него можно выжать.

Все те же самые операции касаются и P-канального транзистора. Только  в этом случае «диоды» меняют свое направление на противоположное.

Заключение

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