Полевой транзистор. Введение

09.01.2017 22:48

Как вы помните, 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 земле, хотим мы этого или нет. Некоторые виды полей без специальных приборов мы обычно даже и не замечаем. В том числе электрическое и магнитное поле.

 

В данной статье нас будет интересовать 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 ТВ. Ладно суть не важна. 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:

 

 

А теперь время нудной теории...

 

Мы с вами уже знаем из статьи Биполярный транзистор. Введение, что есть два типа искусственных 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 брусочки 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 Вики, диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества.

 

Пример:

Если пукнуть 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:

 

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 ;-).

 

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 движуха. Диффузия усиливается еще тем, что электроны бегут к плюсовой клемме, а дырки - к минусовой. Разноименные заряды ведь притягиваются ;-)

 

Но куда 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 холодненьких 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 напряженее. Чем напряженее он обслуживает клиентов, тем их становиться больше. Зевакам ведь интересно, что за тусовка там намечается. А раз все покупают, то и они тоже хотят купить. Народу стает 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, жопа в мыле, 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 напряженее, так и толпа зевак начинает больше заграждать тротуар. И все может закончится тем, что движуха на тротуаре встанет колом. И да, кстати. Стоящая толпа зевак - это уже не электроны. Это обедненный слой, диэлектрик)

 

И вот ученые, которые поняли, что можно менять силу тока, управляя напряженностью электрического поля, создали прибор, которые назвали в честь электрического поля, и имя его... Продолжение