Эффект Спирито у полевых транзисторов
Данный текст посвящён особенности использования полевых транзисторов в линейном режиме, и эффекту, из-за которого живучесть полевиков в этом самом режиме (и без того весьма паршивая) дополнительно снижается при больших напряжениях “сток-исток”. Этот эффект был обнаружен профессором неаполитанского университета Паоло Спирито, и получил его имя. Изучая особенности работы с полевыми транзисторами я обнаружил, что информации на русском языке по эффекту Спирито довольно мало, поэтому решил заполнить этот пробел.
Прежде всего — небольшое введение: важной характеристикой транзисторов является “область безопасной работы”, или SOA (safe operation area). Особенно важна эта характеристика для полевых транзисторов, так как их возможности работы в линейном и ключевом режимах очень сильно различаются: мелкий полевик размером с ноготок способен прокачать через себя десятки ампер в ключевом режиме, и выгореть при токе в пару десятков миллиампер в режиме линейном. Доходит до того, что молодым схемотехникам говорят, что “в линейном режиме полевые транзисторы использовать нельзя”. Примерный вид этой характеристики приведён на рисунке 1:
Как можно заметить, SOA состоит из нескольких участков:
Диагональный участок слева задаётся сопротивлением полностью открытого транзистора. В данном случае — 0,84 Ома. То есть, больше тока при таком напряжении транзистор не пропустит чисто физически
горизонтальный участок сверху — задаётся максимально допустимым током через транзистор. В данном случае — чуть меньше двухсот ампер
вертикальный участок справа — задаётся максимально допустимым напряжением “сток-исток”. В данном случае — 900 вольт.
Наконец, пачка диагональных участков с метками времени справа определяются максимальной энергией, которую способен поглотить транзистор без вреда для себя. Как можно заметить, транзистор, который спокойно пропускает ток почти в двести ампер в открытом состоянии, может выйти из строя уже при двухстах миллиамперах в линейном режиме.
Иногда на этих участках наблюдается излом (см. рис. 2). Этот самый излом и вызван эффектом Спирито: при более высоких напряжениях между стоком и истоком энергия, при которой транзистор выходит из строя, резко снижается. Кстати, если присмотреться, на рис. 1 тоже есть похожий излом (сравните графики для 10 мс и 100 мс).
Понятие SOA относится не только к полевым транзисторам, изначально оно появилось, как характеристика транзисторов биполярных. Основным фактором, ограничивающим SOA прямого смещения у биполярных транзисторов, является температурная нестабильность, обусловленная отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Попросту говоря — с ростом температуры транзистора его электрическая проводимость растёт. В результате, если ток в схеме ограничивается именно транзистором, то, по мере его нагрева, через него начинает протекать всё бОльший ток, который в свою очередь нагревает транзистор ещё сильнее… и так до тех пор, пока он не сгорит, либо пока ток не начнёт ограничиваться другим элементом схемы. У полевых транзисторов такой проблемы, на первый взгляд, нет: с ростом температуры его сопротивление в открытом режиме возрастает. Это позволяет ставить параллельно несколько транзисторов — они сами разделят между собой нагрузку. Более того — каждый полевой транзистор по сути состоит из множества мелких микротранзисторов, которые включены параллельно, и точно так же балансируют между собой нагрузку. Но, как говорил незабвенный Василий Иванович Чапаев, “есть нюанс” (рис. 3):
Если внимательно посмотреть на графики на рис. 3, то можно заметить, что одни и те же 5-7 вольт на затворе при разной температуре по разному открывают транзистор: например, при 25 градусах Цельсия и 6 вольтах на затворе транзистор пропускает чуть больше 20 ампер, а при 125 градусах Цельсия и том же напряжении на затворе — почти 35 ампер. При повышении напряжения на затворе этот эффект быстро пропадает. То есть, при небольшом напряжении на затворе, когда транзистор почти закрыт, он ведёт себя так, будто имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Напомню, что по внутренней структуре полевой транзистор можно представить, как множество параллельных микротранзисторов, у которых есть некоторый разброс характеристик. И когда мы подаём на затвор транзистора небольшое напряжение — некоторые из микротранзисторов приоткрываются чуть сильнее. Соответственно, через них течёт чуть бОльший ток, который нагревает их чуть сильнее, чем соседние микротранзисторы. За счёт повышения температуры микротранзистор приоткрывается ещё чуть сильнее, через него течёт ещё чуть больший ток… В итоге этот конкретный микротранзистор живёт только до тех пор, пока не нагреется до слишком высокой температуры. При этом соседние микротранзисторы могут быть заметно холоднее, зачастую полевик, сгоревший из-за работы вне SOA, остаётся в целом холодным. Почему эффект Спирито проявляется на больших напряжениях “сток-исток”? Ответ тоже очень прост — чтобы между стоком и истоком возникло это самое напряжение, транзистор должен быть почти закрыт.
Что такое полевой транзистор и как его проверить
Недавно мы с вами начали плотнее знакомились с тем, как устроено компьютерное «железо». И познакомились одним из его «кирпичиков» — полупроводниковым диодом. Компьютер – это сложная система, состоящая из отдельных частей. Разбирая, как работают эти отдельные части (большие и малые), мы приобретаем знание.
Обретая знание, мы получаем шанс помочь своему железному другу-компьютеру, если он вдруг забарахлит. Мы же ведь в ответе за тех, кого приручили, не правда ли?
Сегодня мы продолжим это интересное дело, и попробуем разобраться, как работает самый, пожалуй, главный «кирпичик» электроники – транзистор. Из всех видов транзисторов (их немало) мы ограничимся сейчас рассмотрением работы полевых транзисторов.
Почему транзистор – полевой?
Слово «транзистор» образовано от двух английских слов translate и resistor, то есть, иными словами, это преобразователь сопротивления.
Среди всего многообразия транзисторов есть и полевые, т.е. такие, которые управляются электрическим полем.
Электрическое поле создается напряжением. Таким образом, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением.
В англоязычной литературе используется термин MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Есть другие типы полупроводниковых транзисторов, в частности, биполярные, которые управляются током. При этом на управление затрачивается и некоторая мощность, так как к входным электродам необходимо прикладывать некоторое напряжение.
Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением, без протекания тока через входные электроды (за исключением очень небольшого тока утечки). Т.е. мощность на управление не затрачивается. На практике, однако, полевые транзисторы используются большей частью не в статическом режиме, а переключаются с некоторой частотой.
Конструкция полевого транзистора обуславливает наличие в нем внутренней переходной емкости, через которую при переключении протекает некоторый ток, зависящий от частоты (чем больше частота, тем больше ток). Так что, строго говоря, некоторая мощность на управление все-таки затрачивается.
Где используются полевые транзисторы?
Настоящий уровень технологии позволяет сделать сопротивление открытого канала мощного полевого транзистора (ПТ) достаточно малым – в несколько сотых или тысячных долей Ома!
И это является большим преимуществом, так как при протекании тока даже в десяток ампер рассеиваемая на ПТ мощность не превысит десятых или сотых долей Ватта.
Таким образом, можно отказаться от громоздких радиаторов или сильно уменьшить их размеры.
ПТ широко используются в компьютерных блоках питания и низковольтных импульсных стабилизаторах на материнской плате компьютера.
Из всего многообразия типов ПТ для этих целей используются ПТ с индуцированным каналом.
Как работает полевой транзистор?
ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).
Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.
Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).
«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.
Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.
Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.
Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.
В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.
Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.
Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.
Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.
Теперь переходим к практике и поговорим о том,
Как проверить полевой транзистор?
В норме сопротивление между любыми выводами ПТ бесконечно велико.
И, если тестер показывает какое-то небольшое сопротивление, то ПТ, скорее всего, пробит и подлежит замене.
Во многих ПТ имеется встроенный диод между стоком и истоком для защиты канала от обратного напряжения (напряжения обратной полярности).
Таким образом, если поставить «+» тестера (красный щуп, соединенный с «красным» входом тестера) на исток, а «-» (черный щуп, соединенный с черным входом тестера) на сток, то канал будет «звониться», как обычный диод в прямом направлении.
Это справедливо для ПТ с n-каналом. Для ПТ с p-каналом полярность щупов будет обратной.
Как проверить диод с помощью цифрового тестера, описано в соответствующей статье. Т.е. на участке «сток — исток» будет падать напряжение 500-600 мВ.
Если поменять полярность щупов, к диоду будет приложено обратное напряжение, он будет закрыт и тестер это зафиксирует.
Однако исправность защитного диода еще не говорит об исправности транзистора в целом. Более того, если «прозванивать» ПТ, не выпаивая из схемы, то из-за параллельно подключенных цепей не всегда можно сделать однозначный вывод даже об исправности защитного диода.
В таких случаях можно выпаять транзистор, и, используя небольшую схему для тестирования, однозначно ответить на вопрос – исправен ли ПТ или нет.
В исходном состоянии кнопка S1 разомкнута, напряжение на затворе относительно стока равно нулю. ПТ закрыт, и светодиод HL1 не светится.
При замыкании кнопки на резисторе R3 появляется падение напряжения (около 4 В), приложенное между истоком и затвором. ПТ открывается, и светодиод HL1 светится.
Эту схему можно собрать в виде модуля с разъемом для ПТ. Транзисторы в корпусе D2 pack (который предназначен для монтажа на печатную плату) в разъем не вставишь, но можно припаять к его электродам проводники, и уже их вставить в разъем. Для проверки ПТ с p-каналом полярность питания и светодиода нужно изменить на обратную.
Иногда полупроводниковые приборы выходят из строя бурно, с пиротехническими, дымовыми и световыми эффектами.
В этом случае на корпусе образуются дыры, он трескается или разлетается на куски. И можно сделать однозначный вывод об их неисправности, не прибегая к приборам.
В заключение скажем, что буквы MOS в аббревиатуре MOSFET расшифровываются как Metal — Oxide — Semiconductor (металл – оксид – полупроводник). Такова структура ПТ – металлический затвор («кран») отделен от канала из полупроводника слоем диэлектрика (оксида кремния).
Надеюсь, с «трубами», «кранами» и прочей «сантехникой» вы сегодня разобрались.
Однако, теория, как известно, без практики мертва! Надо обязательно поэкспериментировать с полевиками, поковыряться, повозиться с их проверкой, пощупать, так сказать.
Обсуждение: 57 комментариев
ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ… Правда — не проще дополнить — что любой транзистор — это просто два диода, и проверить тестером — 0.6 в падения. А у полевого — 0.4 Чем городить огород.
Игорь, «два диода» — это биполярный транзистор. У полевого — только один диод (защитный), включенный параллельно каналу. Это у тех полевиков, про которые я писал.
Опечатка: На схеме для проверки ПТ необходимо резистор R1 (1k) переименовать на R2 (1k)
Что работает? Полевик?
кажется нашёл, что искал, но всё равно irf3808 горят как спички, запитываю ПН от акб 12в 6о а/ч, а у фета 130 ампер.
Иваныч, у IRF3808 Vdss=75 В. А у преобразователя какое выходное напряжение?
понравилось,но извените-R1,R2 ПО 2КОМ а R3-1ком » На схеме для проверки ПТ необходимо резистор R1 (1k) переименовать на R2 (1k)».Виктор,скажите на сегодня в схеме-всё ок или нет.простите за непонятливость.С наступающим!
Да, я схему (точнее нумерацию элементов) давно подправил. В схеме все ок.
Николай, и Вас с наступающим Новым годом, и всего самого наилучшего!
Ув.Виктор!ответьте-как должно осуществляться если на схеме есть и «общий» и «земля»
даю цитату: Чтобы схема выглядела менее запутанно, общий провод нередко обозначают короткой утолщенной черточкой, соединенной с проводом, и такие же черточки ставят на концах выводов деталей, разбросанных по всей схеме. Это значит, естественно, что такие выводы нужно припаять к общему проводу.
Следует отличать обозначение общего провода от знака заземления, состоящего из трех параллельных черточек разной длины. Такой знак чаще всего встречается на схемах простых приемников, для хорошей работы которых нужна не только наружная антенна, но и заземление — проводник, подпаянный к зарытому в землю металлическому предмету. Как правило, заземляют общий провод конструкции.
Общий — это общий, земля — это земля. Выводы, подключенные к общему проводу, должны быть соединены между собой, иначе схема не будет работать. Во многих случаях схема будет работать нормально, если общий провод ее не заземлять. Например, в проверочной схеме в статье ее общий провод можно не заземлять — все и так будет работать.
Заземление нужно, нужно в частности, в силовых цепях для защиты от поражения электрическим током. На западе давно применяется трехпроводная система питания — фазный провод, нулевой провод и земля. Для нормальной работы защиты земельный провод должен быть соединен с металлическим штырем (их может быть несколько), вкопанным в землю.
Спасибо,вопрос возник ещё и потому,что в других схемах рисуют
на одной схеме вер_с_гор;вер_с_нескол.гор(как заземление)(может мно-гие СЕЙЧАС рисуют ЧТО ПОНРАВИТЬСЯ(как красивее).
Да, в этом вопросе существует некоторая путаница. Наверное, правильнее будет, если рисовать схемы, не требующие заземления, с одной горизонтальной чертой.
существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов.
Да, это в интегральной технологии очень широко используется. А если брать отдельно, то транзисторы с n-каналом используются гораздо чаще, чем с p-каналом.
Здравствуйте.По Вашей схеме можно проверить любые ПТ? Ведь они различаются по напряжению. Извините за дилетантский вопрос.
Геннадий, можно проверить ПТ с n-каналом. За все транзисторы говорить не буду (всего многообразия их не знаю). Большинство проверить можно.
При замыкании кнопки к затвору прилагается напряжение +4 В. Этого хватает, чтобы ПТ открылся, и сопротивление открытого канала стало небольшим. В то же время это меньше предельного напряжения исток-затвор, поэтому транзистор из строя не выйдет. Если придется проверять какой-то хитрый транзистор, надо посмотреть даташит. Главное здесь — чтобы канал был хорошо открыт, и прилагаемые напряжения не превысили максимально допустимых.
а слабо было сначала рассказать про ПТ с управляющим каналом хотя бы «n» типа и сказать , что он симметричный, что канал хоть «n» или «р» типа можно менять местами ток всё равно будет проходить не зависимо от полярности полупроводника на выводах стока и истока если на затворе нет напряжения И, только когда воздействовать на ток в канале поперечным полем . правильно. приложенному к затвору и одному из других электродов — можно остановить ток в канале.
А после, уже рассказать про ПТ со встроенным и индуцированным каналом, про то что у них затвор полностью изолирован от этих каналов и это одно из главных его свойств. потому как для индуцированного канала подача на затвор соответствующей полярности напряжения относительно подложки канал начинает пропускать ток, а отсутствие напряжения на затворе канал закрыт и не пропускает ток.
Что же касаемо ПТ с изолир. затвором и встроенным каналом — картина тока через встроенный канал отличается от выше перечисленных структур ПТ. Отличие в том, что канал пропускает незначительный ток от приложенного напряжения между стоком и истоком как и канал ПТ с управляющим p-n переходом о котором шла речь в самом начале. Но, почему говорим незначительный ток — да потому, что встроенный канал имеет туже проводимость что сток и исток только очень слабо легированную, в то время как сток и исток всегда сильно легированы так же как весь канал в ПТ с управляющим p-n переходом. Вот это и придает этому типу ПТ его характеристики и отличительные свойства от ПТ с индуцированным каналом и ПТ с управляющим p-n переходом.
Так что в ПТ со встроенным слаболегтрованым каналом — своя структура транзистора и его способ управления.
И как же он управляется и как при этом воздействует на ток в канале.
Очень просто: ток как уже стало понятно протекает но не значительный. Такое нас конечно не устраивает. Всем известны такие термины как «отсечка» и «обогащение» вот они то нам и помогут управлять этим полудохлым каналом. При подаче соответствующей полярности управляющего напряжения на затвор и исток канал можно настолько отсечь, выгнать из него основные носители зарядов соответствующего типа проводимости канала, что он полностью заглохнет. А поменяв полярность управляющего напряжения между затвором и истоком, можно создать условия для лавинного втягивания основных носителей зарядов соответствующего типа проводимости канала и он — этот канал, станет проводить большой ток насколько это возможно:))
Таким образом стало понятно как управлять тем или тем ПТ и все это благодаря только их структуры.(что за слово структура, хрень какая-то, просто скажем — внутреннего устройства, от которого и зависит способ подключения и управления)
KIRPICH, изложение работы ПТ велось применительно к компьютерной технике. Блог у меня о компьютерах. Поэтому и был рассмотрен только ПТ с индуцированным n-каналом. Такие как раз и используются в цифровой технике. ПТ в сильноточном стабилизаторе схемы питания ядра процессора, в блоке питания компьютера, в бесперебойных источниках питания как раз такие.
Была приведена простая аналогия, позволяющая уяснить принцип работы.
А так, да — существуют несколько типов ПТ. Но я не стал усложнять картину, и не рассказал об обогащенных и обедненных ПТ, об отсечке, крутизне, лавинном пробое, V-канавке, основных и неосновных носителях в канале.
Сколько терминов, скорее всего, сразу отпугнет новичка.
После Вашего коммента думаю — может, продолжение написать?
Приветствую, разобрал телевизор, который не включался. При включении в розетку и подключенном инверторе пищит(с одинаковым интервалом) полевой транзистор 2SK3532 на блоке питания. При отключении инвертора писк пропадает. Подскажите поможет ли замена или причина не в нем?
Иван, я не слышал, чтобы полевой транзистор пищал. В импульсных блоках питания если и пищит что, так это импульсный трансформатор.
Транзистор проверьте, как в статье описано. А вообще, надо ковырять всю схему.
Виктор! если не трудно расскажи о схеме отвертки-индикатора там наверное твоя проверочная схема задействона! подробно о пт! пробник-шток09050. спасибо. Викор .г.Тверь
Виктор, именно эту отвертку-индикатор я не ковырял. Могу предположить, что это обычный указатель напряжения. Скорее всего, там стоит обычная неоновая лампочка и последовательно с ней резистор. Если коснуться фазы 220 В концом отвертки и пальцем металлической площадки на торце, то через лампочку и тело человека потечет небольшой ток, и лампочка загорится, указывая на наличие напряжения.
Добрый вечер Виктор. Я прочитал вашу статью о ПТторе, все понятно и просто! Ест вопрос. Можноли заменить ПТ на биполярный т-р. С уважением Бахром Узбекистан.
Бахром, иногда можно, но далеко не всегда. Зависит от конкретной схемы. И полевые транзисторы — они ведь разных классов бывают.
Если я правильно понимаю, то:
S это исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;
D это сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;
почему, исходя из Вашей схемы, входящее напряжение приложено к D (стоку) , а исходящее к S (истоку), учитывая, что ток «течет» от плюса к минусу ?
А что такое «входящее» и «исходящее» напряжение?
В ПТ с каналом n-типа основные носители — электроны, частицы с отрицательным зарядом. Исток их и поставляет.
Биполярныйй транзистор управляется током полевой полем. У биполярногооооо структура pnp или npn у полевого металл окисел полупроводник. Вот и думай Бахром можно заменить или нет. И диод еще для защиты от обратного напряжения.
От Чего Пробивает Сток-Исток Полевого Транзистора?
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
- Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу
Объявления
- Ответов 51
- Создана 9 г
- Последний ответ 5 г
Топ авторов темы
IMXO 8 постов
Шидя 3 постов
Ученик999 4 постов
Hepo 5 постов
Популярные посты
oldmao
А теперь в симуляторе замени лампочку на катушку индуктивности (электродвигатель = индуктивная нагрузка) и посмотри на ток транзистора и напряжение на нём. А на будущее — асинхронные двигатели ШИМом н
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).
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 😉
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.
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:
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 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=15/6,2×10 -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:
Эквивалентная схема будет выглядеть вот так:
Получается, для того, чтобы узнать целостность транзистора, нам достаточно проверить все эти три элемента 😉
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:
Проверяем диод Затвор-Сток:
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.
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.