Речь сегодня пойдет о 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 на пластины, тем напряженнее стает поле между этими пластинами.
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 искривлена. Чем больше напряженность поля, тем больше оно будет влиять на траекторию движения электрона. На этом принципе основана работа кинескопных ТВ. 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 со школы нужно помнить еще одно утверждение: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:
А теперь время теории!
Мы с вами уже знаем из статьи биполярный транзистор, 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:
Электроны у нас обладают отрицательным зарядом (-), а дырки – положительным зарядом (+). Поэтому на картинках мы заполнили кружки 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 справочник, диффузия – это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества.
На границе полупроводников происходит то же самое! Электроны и дырки начинают смешиваться.
На границе P-N перехода есть камень преткновения. И он заключается в том, что электроны и дырки обладают зарядом и начинают взаимодействовать друг с 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 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 потом станет ясно, где можно применить это свойство.
Итак, провинциальный городок X. Обычный рабочий 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 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 подходит 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 хотят купить эти хот-доги.
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, 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, конечно! 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 остановится. 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
полевой транзистор
, как вы уже догадались, в честь электрического поля.
Как вы помните, 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 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, называется
СТОКОМ
.
Эти два понятия нетрудно будет запомнить, если вспомнить водосточную систему с крыш ваших домов. Истоком будет труба, которая собирает все 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 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 зарубежный 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.