电子产品开发：二极管、晶体管、FET

在电子产品开发时，我们经常用到无源元件。在本文中，英锐恩单片机工程师将介绍有源元件的半导体和二极管、晶体管和场效应管。

介于导体和绝缘体之间的半导体

用作半导体器件材料的硅(Si)和锗(Ge)具有介于银和铝等导体与石英和陶器等绝缘体之间的电阻率。电阻率的差异取决于物质，因为可以移动的电子量不同。这种可移动的电子被称为“自由电子”，它可以通过向物质中添加杂质来改变自由电子的数量，并控制电流的易流动性。英锐恩单片机工程师介绍，根据电流流动的机制，有两种类型的半导体，N型和P型。

二极管的一种应用方式

二极管具有结合了P型半导体和N型半导体的简单结构。在P型和N型接合面周围，各自的载流子扩散并结合形成一个无载流子（电流载体）的区域。该区域的带电杂质形成电壁，阻止载流子扩散并停止键合。英锐恩单片机工程师介绍，这种电壁称为耗尽层。如下图，为PN结二极管结构。

当二极管两端加正电压，P型区加正电压，N型区加负电压时，能量沿耗尽层变窄的方向加到载流子上，载流子很容易向两侧移动，再次发生耦合，失去的载流子通过施加电压通过电流得到补充，成为连续电流。另一方面，当在P型区施加负电压，在N型区施加正电压时，能量沿载流子被吸引到电极的方向施加，耗尽层变宽，几乎没有电流可以流动。英锐恩单片机工程师介绍，整流作用是二极管的基本特性，它使电流仅在一个方向上通过。电流容易流动的方向称为正向，电流不易流动的方向称为反向。

晶体管的开关操作

晶体管可以获得比基极电流大许多倍的集电极电流。集电极电流与基极电流之比称为直流电流放大系数(hFE)，其值约为100至700。在下图所示的电路中，当0V施加到IN时，基极电流不流动，因此集电极电流不流动。因此，因为没有电流流过RL，所以12V输出到OUT。另一方面，如果向IN施加比基极-发射极电压足够高的电压（通常为与0V相比大约0.7V或更高的电压），则基极电流将流动，集电极电流为hFE倍流。然而，实际流动的电流被负载电阻RL限制为(12V-Vce-sat(饱和电压))/RL。在电子产品开发时，这种开关电路常用于控制由于驱动电流大而不能直接由微机或逻辑IC驱动的功率LED、继电器、直流电机等。

FET的驱动能力

FET（场效应晶体管）大致分为两种类型：MOS（金属氧化物半导体）型和结型。尤其是MOS场效应管（MOSFET）与上述双极晶体管相比，结构扁平，基本不需要分离以避免相邻元件之间的干扰，易于集成和小型化，功耗低，因此是一种IC和LSI不可或缺的元素。让我们看看这个MOS型FET的操作，下图是N型MOSFET的示意图。

G是称为栅极的电极，其下方是作为绝缘体的氧化膜，S为源极，D为漏极跨过栅极。当栅极和源极之间的电压为0V时，P型半导体夹在N型半导体制成的源漏之间，由于存在相反方向的结，所以电绝缘。也就是说，在源极和漏极之间没有电流流动。

另一方面，当电压施加到栅极时，自由电子被直接吸引到栅极下方。源极和漏极之间有更多的自由电子，使电流更容易流动。英锐恩单片机工程师表示，简单来说，源极和漏极之间的电流可以通过施加到栅极的电压来控制。

英锐恩单片机工程师介绍，在电子产品开发时MOSFET主要用于开关电路和放大电路。此外它也用作恒流源，因为当施加到栅极的电压恒定时，源极/漏极电流变得恒定。N型MOSFET在栅极下方有一个N型电流通道（通道）。当沟道为P型时，称为P型MOSFET。

数字电路基本要素CMOS

CMOS（互补MOS）是指以互补方式连接的MOSFET，如下图所示。使用这样的电路配置，当IN电压为0V或VCC时，只有一个MOSFET导通。因此，几乎没有电流从VCC流向GND，因此可以配置低功耗的逻辑电路。而且，当今的大多数LSI和IC都是由这种CMOS构成的。