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
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201608/294838.htm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)樽杂呻娮樱賹⑴赃叺钠渌麅r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)樽杂呻娮樱皇苤髟游?。被吸收的價電子的原有位置稱為空穴,進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給,形成定向電流。與此相反,當(dāng)在P型區(qū)域外加負電壓,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電機等的控制。
圖6 晶體管的開關(guān)工作
實現(xiàn)集成化的貢獻者
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
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