電子產品開發：二極管、晶體管、FET

在電子產品開發時，我們經常用到無源元件。在本文中，英銳恩單片機工程師將介紹有源元件的半導體和二極管、晶體管和場效應管。

介于導體和絕緣體之間的半導體

用作半導體器件材料的硅(Si)和鍺(Ge)具有介于銀和鋁等導體與石英和陶器等絕緣體之間的電阻率。電阻率的差異取決于物質，因為可以移動的電子量不同。這種可移動的電子被稱為“自由電子”，它可以通過向物質中添加雜質來改變自由電子的數量，并控制電流的易流動性。英銳恩單片機工程師介紹，根據電流流動的機制，有兩種類型的半導體，N型和P型。

二極管的一種應用方式

二極管具有結合了P型半導體和N型半導體的簡單結構。在P型和N型接合面周圍，各自的載流子擴散并結合形成一個無載流子（電流載體）的區域。該區域的帶電雜質形成電壁，阻止載流子擴散并停止鍵合。英銳恩單片機工程師介紹，這種電壁稱為耗盡層。如下圖，為PN結二極管結構。

當二極管兩端加正電壓，P型區加正電壓，N型區加負電壓時，能量沿耗盡層變窄的方向加到載流子上，載流子很容易向兩側移動，再次發生耦合，失去的載流子通過施加電壓通過電流得到補充，成為連續電流。另一方面，當在P型區施加負電壓，在N型區施加正電壓時，能量沿載流子被吸引到電極的方向施加，耗盡層變寬，幾乎沒有電流可以流動。英銳恩單片機工程師介紹，整流作用是二極管的基本特性，它使電流僅在一個方向上通過。電流容易流動的方向稱為正向，電流不易流動的方向稱為反向。

晶體管的開關操作

晶體管可以獲得比基極電流大許多倍的集電極電流。集電極電流與基極電流之比稱為直流電流放大系數(hFE)，其值約為100至700。在下圖所示的電路中，當0V施加到IN時，基極電流不流動，因此集電極電流不流動。因此，因為沒有電流流過RL，所以12V輸出到OUT。另一方面，如果向IN施加比基極-發射極電壓足夠高的電壓（通常為與0V相比大約0.7V或更高的電壓），則基極電流將流動，集電極電流為hFE倍流。然而，實際流動的電流被負載電阻RL限制為(12V-Vce-sat(飽和電壓))/RL。在電子產品開發時，這種開關電路常用于控制由于驅動電流大而不能直接由微機或邏輯IC驅動的功率LED、繼電器、直流電機等。

FET的驅動能力

FET（場效應晶體管）大致分為兩種類型：MOS（金屬氧化物半導體）型和結型。尤其是MOS場效應管（MOSFET）與上述雙極晶體管相比，結構扁平，基本不需要分離以避免相鄰元件之間的干擾，易于集成和小型化，功耗低，因此是一種IC和LSI不可或缺的元素。讓我們看看這個MOS型FET的操作，下圖是N型MOSFET的示意圖。

G是稱為柵極的電極，其下方是作為絕緣體的氧化膜，S為源極，D為漏極跨過柵極。當柵極和源極之間的電壓為0V時，P型半導體夾在N型半導體制成的源漏之間，由于存在相反方向的結，所以電絕緣。也就是說，在源極和漏極之間沒有電流流動。

另一方面，當電壓施加到柵極時，自由電子被直接吸引到柵極下方。源極和漏極之間有更多的自由電子，使電流更容易流動。英銳恩單片機工程師表示，簡單來說，源極和漏極之間的電流可以通過施加到柵極的電壓來控制。

英銳恩單片機工程師介紹，在電子產品開發時MOSFET主要用于開關電路和放大電路。此外它也用作恒流源，因為當施加到柵極的電壓恒定時，源極/漏極電流變得恒定。N型MOSFET在柵極下方有一個N型電流通道（通道）。當溝道為P型時，稱為P型MOSFET。

數字電路基本要素CMOS

CMOS（互補MOS）是指以互補方式連接的MOSFET，如下圖所示。使用這樣的電路配置，當IN電壓為0V或VCC時，只有一個MOSFET導通。因此，幾乎沒有電流從VCC流向GND，因此可以配置低功耗的邏輯電路。而且，當今的大多數LSI和IC都是由這種CMOS構成的。