学好嵌入式系统电路入门之——二极管/晶体管/FET

　　在《学好嵌入式系统电路入门之——无源元件》中我们学习了无源元件，本文将带大家复习一下半导体以及使用了半导体的有源元件-二极管、晶体管、FET。

　　导电能力介于导体与绝缘体之间的物质 - 半导体

　　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。

　　半导体的电流流通原理

　　（1） 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。

　　

　　图1　N型半导体结构

　　（2） 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。

　　

　　图2　P型半导体结构

　　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。

　　

　　图3　PN结二极管的结构

　　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。

　　

　　图4　二极管的电压电流特性

　　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。

　　

　　图5　NPN晶体管概要图

　　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。

　　

　　图6 晶体管的开关工作

　　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。

　　

　　图7　N型MOSFET概要图

　　数字电路的基本要素CMOS

　　CMOS（Complementary　MOS）如图8所示，是一种互补型连接的MOSFET。采用此种电路结构时，无论是IN电压为0V，还是VCC的情况，只有一方的MOSFET为ON。因此从VCC到GND基本上无电流通过，可用于构成功耗极低的理想电路。现在的LSI和IC基本上都是由这种CMOS构成的。

　　

　　图8　CMOS构成的变频器