學(xué)好嵌入式系統(tǒng)電路入門之——二極管/晶體管/FET

導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì) - 半導(dǎo)體

硅和鍺是位于銀、鋁等導(dǎo)體和石英、陶瓷等絕緣體之間，用于制造半導(dǎo)體器件的原材料，具有一定電阻率。不同的物質(zhì)其產(chǎn)生的不同電阻率是由于可移動的電子量不同引起的。這種可移動電子叫“自由電子”。一般我們把可以通過向其摻入雜質(zhì)來改變自由電子的數(shù)量，并可控制電流動的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。

根據(jù)電流流動的構(gòu)造，可將半導(dǎo)體分為N型和P型兩類。

半導(dǎo)體的電流流通原理

(1) N型半導(dǎo)體

圖1是在硅晶體中摻入雜質(zhì)磷(P)元素的概要圖。磷原子持有的5個價電子中4個和硅(Si)原子一樣，通過共價鍵，與鄰接原子緊密結(jié)合。剩下1個價電子不發(fā)生共價鍵，而是根據(jù)室溫高低成為自由電子。這個自由電子將旁邊的價電子趕出，取代它的位置，而原有價電子變?yōu)樽杂呻娮?，再將旁邊的其他價電子趕出。通過這樣的重復(fù)過程，使自由電子不斷移動從而形成電流。由電子作為載流子(輸送電流)的半導(dǎo)體稱為“N型半導(dǎo)體”。施主原子的電子不足時，帶正電荷。

圖1N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

(2) P型半導(dǎo)體

圖2是在硅晶體中摻入雜質(zhì)硼元素的概要圖。硼元素具有3個價電子，與硅相比少1個價電子。鄰接硅原子中的價電子通過微量熱能變?yōu)樽杂呻娮?，被受主原子吸收。被吸收的價電子的原有位置稱為空穴，進(jìn)一步吸收鄰接硅原子中的價電子。通過這個重復(fù)過程，空穴移動，產(chǎn)生電流。由空穴作為載流子的半導(dǎo)體稱為“P型半導(dǎo)體”。受主原子的電子過多，因而帶負(fù)電荷。

圖2P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

二極管為單向傳導(dǎo)的電子器件

二極管是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的，構(gòu)造簡單。P型和N型結(jié)界面周圍，各個載流子擴(kuò)散并結(jié)合，從而出現(xiàn)了不存在載流子的區(qū)域。在這個區(qū)域里，帶電的雜質(zhì)形成勢壘電場，通過阻止載流子擴(kuò)散阻礙結(jié)合。我們將這個不存在載流子的勢壘電場稱為耗盡層。

圖3PN結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)

在二極管的兩端，P型區(qū)域外加正電壓，N型區(qū)外加負(fù)電壓，向耗盡層變窄的方向上加入能量，則載流子極易向兩邊漂移，再次產(chǎn)生復(fù)合，因復(fù)合而消失的載流子被外加電壓的電流補(bǔ)給，形成定向電流。與此相反，當(dāng)在P型區(qū)域外加負(fù)電壓，N型區(qū)外加正電壓時，向載流子被電極吸引的方向上加入能量，則耗盡層變寬，電流幾乎不再流動。上述電流單向流動即為二極管的基本原理—整流作用。易于電流流動的方向稱為正向，不易電流流動的方向稱為反向。

二極管的電壓電流特性

二極管的電壓電流特性如圖4所示。需要注意的是，即使是正向，如不外加一定程度電壓，電流還是不會流動的。硅二極管所需外加電壓為0.7～0.8V，肖特基二極管約為0.2V，發(fā)光二極管(LED)為2～5V以上，能讓電流正向流動。在反向上外加一定電壓時，也可突然產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱之為擊穿。擊穿電壓幾乎不受電流影響，因此常用做定電壓源。

圖4二極管的電壓電流特性

電子電路的基本元件(最早投入使用的固體有源元件)

晶體管(為避免與下文中的FET產(chǎn)生混淆，也可稱之為雙極型晶體管)是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相互疊加，呈三明治夾層構(gòu)造的元件。根據(jù)疊加順序不同，可分為NPN型和PNP型兩類。

圖5NPN晶體管概要圖

以NPN型晶體管(圖5)為例，我們來看一下工作原理。

基區(qū)?發(fā)射區(qū)和二極管結(jié)構(gòu)相同。在此外加正向電壓(0.7V左右)產(chǎn)生基極電流(IB)。大量自由電子從發(fā)射區(qū)流入基區(qū)，基區(qū)復(fù)合的載流子少于發(fā)射區(qū)擴(kuò)散出來的，則自由電子剩余。剩余自由電子被集電極上外加的E2吸引。發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的載流子數(shù)量為復(fù)合載流子數(shù)量的10～數(shù)百倍，用此比率擴(kuò)大IB，產(chǎn)生集電極電流(IC)。如IB為0時，發(fā)射區(qū)無載流子擴(kuò)散，則IC也為0。也就是說，基區(qū)?發(fā)射區(qū)之間的正向電流IB可以控制基區(qū)?發(fā)射區(qū)之間的電流IC。這種特性適用于放大器和開關(guān)，構(gòu)成電子電路的基本元件。通過組合這種晶體管可形成較為復(fù)雜的電子電路。

晶體管的開關(guān)工作

晶體管可得到大于基極電流幾倍的集電極電流。集電極電流與基極電流的比率稱之為直流電流放大率(HFE)，比率約為100～700。如圖6所示電路中，IN上外加電壓為0V時，基極無電流，集電極也無電流產(chǎn)生，因此RL無電流通過，OUT上輸出電壓為12V。相反，在基區(qū)?發(fā)射區(qū)之間外加一定強(qiáng)度電壓(一般外加電壓0.7V以上電壓)，則基極有電流通過，產(chǎn)生hFE倍的集電極電流。但實際通過的電流，因負(fù)荷電阻RL的存在，(12V-Vce-sat(飽和電壓))/RL受到限制。由于該開關(guān)電路的驅(qū)動電流很大，所以，常常被用在用MCU和邏輯IC等芯片不能直接驅(qū)動的控制場合，比如功率LED、繼電器和DC電機(jī)等的控制。

圖6 晶體管的開關(guān)工作

實現(xiàn)集成化的貢獻(xiàn)者

FET(Filed Effect Transistor：場效應(yīng)晶體管)大致可分為MOS(Metal Oxide Semiconductor：金屬氧化物半導(dǎo)體)和結(jié)型兩類。特別是MOS型FET(MOSFET)，與上述雙極型晶體管相比，其平面型結(jié)構(gòu)以及相鄰?fù)愒g干擾極小，基本上無需分離使用，因易于集成化、細(xì)微化且低功耗，因此是IC和LSI中必不可少的元件。接下來我們來看看MOS型FET的工作原理。

圖7是N型MOSFET概要圖。G被稱為“柵”極，G下面是作為絕緣體的氧化膜，源極S和漏極D夾住柵極。柵極與源極之間電壓為0V時，N型半導(dǎo)體構(gòu)成的源極和漏極之間夾入P型半導(dǎo)體，形成反向結(jié)合，形成絕緣。也就是說，源極和漏極之間無電流通過。

當(dāng)在柵極上外加電壓時，自由電子被吸引到柵極下方。源極和漏極之間自由電子增多，電流容易通過。也就是說，可以通過向柵極外加電壓，來控制源漏極之間的電流。

其主要被用于開關(guān)電路及放大電路。當(dāng)柵極上外加的電壓穩(wěn)定不變時，源漏極間電流也穩(wěn)定，因此可用作定電壓源。

柵極下面的電流通道為N型時稱為N型MOSFET，柵極下面的電流通道為P型時P型MOSFET。

圖7N型MOSFET概要圖

數(shù)字電路的基本要素CMOS

CMOS(ComplementaryMOS)如圖8所示，是一種互補(bǔ)型連接的MOSFET。采用此種電路結(jié)構(gòu)時，無論是IN電壓為0V，還是VCC的情況，只有一方的MOSFET為ON。因此從VCC到GND基本上無電流通過，可用于構(gòu)成功耗極低的理想電路?，F(xiàn)在的LSI和IC基本上都是由這種CMOS構(gòu)成的。

圖8CMOS構(gòu)成的變頻器