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学好嵌入式系统电路入门 —— 二极管/晶体管/FET

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半导体
半导体是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅和锗是位于银、铝等导体和石英、陶瓷等绝缘体之间,用于制造半导体器件的原材料,具有一定电阻率。不同的物质其产生的不同电阻率是由于可移动的电子量不同引起的。这种可移动电子叫“自由电子”。一般我们把可以通过向其摻入杂质来改变自由电子的数量,并可控制电流动的物质称为半导体。

根据电流流动的构造,可将半导体分为N型和P型两类。

N型半导体
图1是在硅晶体中掺入杂质磷(P)元素的概要图。磷原子持有的5个价电子中4个和硅(Si)原子一样,通过共价键,与邻接原子紧密结合。剩下1个价电子不发生共价键,而是根据室温高低成为自由电子。这个自由电子将旁边的价电子赶出,取代它的位置,而原有价电子变为自由电子,再将旁边的其他价电子赶出。通过这样的重复过程,使自由电子不断移动从而形成电流。由电子作为载流子(输送电流)的半导体称为“N型半导体”。施主原子的电子不足时,带正电荷。
P型半导体
图2是在硅晶体中掺入杂质硼元素的概要图。硼元素具有3个价电子,与硅相比少1个价电子。邻接硅原子中的价电子通过微量热能变为自由电子,被受主原子吸收。被吸收的价电子的原有位置称为空穴,进一步吸收邻接硅原子中的价电子。通过这个重复过程,空穴移动,产生电流。由空穴作为载流子的半导体称为“P型半导体”。受主原子的电子过多,因而带负电荷。
二极管
二极管为单向传导的电子器件。二极管是由P型半导体和N型半导体形成的,构造简单。P型和N型结界面周围,各个载流子扩散并结合,从而出现了不存在载流子的区域。在这个区域里,带电的杂质形成势垒电场,通过阻止载流子扩散阻碍结合。我们将这个不存在载流子的势垒电场称为耗尽层。
在二极管的两端,P型区域外加正电压,N型区外加负电压,向耗尽层变窄的方向上加入能量,则载流子极易向两边漂移,再次产生复合,因复合而消失的载流子被外加电压的电流补给,形成定向电流。与此相反,当在P型区域外加负电压,N型区外加正电压时,向载流子被电极吸引的方向上加入能量,则耗尽层变宽,电流几乎不再流动。上述电流单向流动即为二极管的基本原理—整流作用。易于电流流动的方向称为正向,不易电流流动的方向称为反向。

二极管的电压电流特性
二极管的电压电流特性如图4所示。需要注意的是,即使是正向,如不外加一定程度电压,电流还是不会流动的。硅二极管所需外加电压为0.7~0.8V,肖特基二极管约为0.2V,发光二极管(LED)为2~5V以上,能让电流正向流动。在反向上外加一定电压时,也可突然产生电流,这种现象称之为击穿。击穿电压几乎不受电流影响,因此常用做定电压源。
晶体管
晶体管是电子电路的基本元件(最早投入使用的固体有源元件)。晶体管(为避免与下文中的FET产生混淆,也可称之为双极型晶体管)是P型半导体和N型半导体相互叠加,呈三明治夹层构造的元件。根据叠加顺序不同,可分为NPN型和PNP型两类。
以NPN型晶体管(图5)为例,我们来看一下工作原理。基区、发射区和二极管结构相同。在此外加正向电压(0.7V左右)产生基极电流(IB)。大量自由电子从发射区流入基区,基区复合的载流子少于发射区扩散出来的,则自由电子剩余。剩余自由电子被集电极上外加的E2吸引。发射区扩散的载流子数量为复合载流子数量的10~数百倍,用此比率扩大IB,产生集电极电流(IC)。如IB为0时,发射区无载流子扩散,则IC也为0。
也就是说,基区、发射区之间的正向电流IB可以控制基区、发射区之间的电流IC。这种特性适用于放大器和开关,构成电子电路的基本元件。通过组合这种晶体管可形成较为复杂的电子电路。

晶体管的开关工作
晶体管可得到大于基极电流几倍的集电极电流。集电极电流与基极电流的比率称之为直流电流放大率(HFE),比率约为100~700。如图6所示电路中,IN上外加电压为0V时,基极无电流,集电极也无电流产生,因此RL无电流通过,OUT上输出电压为12V。

相反,在基区、发射区之间外加一定强度电压(一般外加电压0.7V以上电压),则基极有电流通过,产生hFE倍的集电极电流。但实际通过的电流,因负荷电阻RL的存在,(12V-Vce-sat(饱和电压))/RL受到限制。由于该开关电路的驱动电流很大,所以,常常被用在用MCU和逻辑IC等芯片不能直接驱动的控制场合,比如功率LED、继电器和DC电机等的控制。
FET
FET是实现集成化的贡献者。FET(Filed Effect Transistor:场效应晶体管)大致可分为MOS(Metal Oxide Semiconductor:金属氧化物半导体)和结型两类。特别是MOS型FET(MOSFET),与上述双极型晶体管相比,其平面型结构以及相邻同类元件间干扰极小,基本上无需分离使用,因易于集成化、细微化且低功耗,因此是IC和LSI中必不可少的元件。接下来我们来看看MOS型FET的工作原理。

图7是N型MOSFET概要图。G被称为“栅”极,G下面是作为绝缘体的氧化膜,源极S和漏极D夹住栅极。栅极与源极之间电压为0V时,N型半导体构成的源极和漏极之间夹入P型半导体,形成反向结合,形成绝缘。也就是说,源极和漏极之间无电流通过。
当在栅极上外加电压时,自由电子被吸引到栅极下方。源极和漏极之间自由电子增多,电流容易通过。也就是说,可以通过向栅极外加电压,来控制源漏极之间的电流。

其主要被用于开关电路及放大电路。当栅极上外加的电压稳定不变时,源漏极间电流也稳定,因此可用作定电压源。栅极下面的电流通道为N型时称为N型MOSFET,栅极下面的电流通道为P型时P型MOSFET。

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