二極體、電晶體及FET

了解嵌入式系统: 2/3

我們已在上期內容中,複習過電子電路中最常見的被動元件。接著我們將探討半導體,以及由半導體所製成的重要主動元件:二極體、電晶體及FET。

介於導體與絕緣體之間的半導體

半導體是介於導體與絕緣體之間,使用如矽(Si)和鍺(Ge)等材料做成,比銀或鋁等金屬更能抵抗電流,但絕緣效果則低於石英及陶瓷等絕緣體。
材料的電阻率取決於施以電壓時,可迅速移動的自由電子密度。一般而言,可在相同的材料中加入適量的雜質,將密度調整為欲達到的電阻值;如此便可製造出能夠提供欲達導電等級的半導體。視電流通過半導體的方式而定,半導體可為N型或P型。

電流通過半導體的方式

(1) N型半導體

圖1說明N型半導體的標準構造。N型半導體包含有磷(P)原子塗料的矽晶體。磷原子有五個價電子,其中四個與鄰近的矽原子形成強大的共價鍵結,而第五個價電子則保持自由狀態。在室溫情況下,自由電子通常會與鄰近的鍵結電子換位,換言之,任何既定的電子都可能會互相鍵結或脫離,如此便可隨時保有可用於傳送電流的自由游離電子。這種半導體稱為「N型」半導體,因為它主要使用(帶負電)電子傳送電流。同時,在此過程中釋出電子的施主(摻雜劑)原子則需要正電。

圖1 N型半導體的標準構造

(2) P型半導體

圖2說明P型半導體的構造;其中矽晶體已經摻雜硼(B)原子。同樣地,每一個矽原子有四個價電子;但硼原子只有三個價電子,因此出現電子缺乏(deficient)。但只需要微量的動能,便可從鄰近的矽電子中釋放電子出來;釋放的電子會很快地被硼原子「接收」。矽原子釋放出一個電子後,便出現「電洞」(hole),進而會吸收其他鄰近矽原子的電子。透過這樣不斷重複的過程,電洞便會移動,進而產生電流。這種半導體稱為「P型半導體」,因為其大多數電流是透過電洞傳送。在此過程中接收電子的摻雜劑原子則成為帶負電的原子。

图2 P型半导体结构

圖2 P型半導體構造

二極體:單行道(One-Way Streets)

半導體二極體的一端為P型半導體,另一端則是N型半導體。兩端的載子(carrier)會在中間(P-N接面)擴散並配對,形成無載子存在的中間區域。此區域中帶電的雜質則形成可防止進一步擴散與配對的電子邊界。這個沒有載子的邊界區稱為空乏層(depletion layer)。

Figure 3: Structure of a PN-Junction Diode

圖3 PN連結式二極體構造

如果在二極體的P型端端子施以正電壓,並在N型端端子施以負電壓,則此一「順向」電壓會推動更多載子(P型端的電洞與N型端的電子)進入空乏層,空乏層會變得更狹窄,導致更多載子在邊界上擴散開來、配對並消失。同時,施放的電壓會產生電流,不斷供應更多載子,以保持電流流動。
然而,若施以偏壓電壓(即P型端帶負電,N型端帶正電),則此電壓會將載子帶離中間區域,分別帶向兩端,使空乏層變大,進而阻斷電流。 如此一來,二極體僅以單一方向傳送電流(稱為順向),並阻止電流流向另一端(逆向)。此一用途的二極體又稱為整流器:僅傳送單一方向電流的元件。

二極體的電壓與電流特性

圖4說明二極體的電子特性。請注意,如不施以電壓,將不會產生任何(包括順向電流在內的)電流。啟動順向電流所需的電壓隨半導體材料不同而異,矽二極體為0.7-0.8 V、蕭基二極體(Schottky barrier diode)約為0.2 V、發光二極體(LED)則為2 – 5 V以上。
若要使電流往另一個方向流動,需要極高的電壓;擊穿電壓(breakdown voltage)就是指當電壓愈高,電流便會急速增加的逆向電壓。由於擊穿電壓基本上不受電流影響,因此逆向電壓特性可用於實作電壓調節器及其他類似功用。

图4 二极管的电压电流特性

圖4 二極體的電壓與電流特性

固態電晶體:最早使用的核心元件

雙載子電晶體(有別於場效電晶體-見稍後說明)包含夾在N型或P型半導體外層中間的P型或N型中心。雙載子電晶體有兩大類型:NPN型(P型位於中央)及PNP型(N型位於中央)。

图5 NPN晶体管概要图

圖5  NPN電晶體

圖5說明NPN電晶體的運作方式。NPN電晶體的基極(base)跟射極(emitter),與二極體的構造相同。在此範例中,當施以順向電壓(約0.7 V)時,基極電流(IB)便會流動,導致許多自由電子從射極區移至基極區。若射極釋放出的載子超過基極區可重新鍵合的數量,多餘的電子便會根據施放的電壓E2,移到集極(collector)。在一般用途中,射極所釋放出的自由電子數量,約為基極區可重新鍵合電子數量的10至100倍。因此,集極電流(IC)也將比IB多出該倍數(10至100倍)的數值。若IB為0,則IC也將為0,因為射極將不會釋放任何載子。
換言之,介於射極與集極之間的電流IC,是由基極與射極之間的順向電流IB所控制。基於此一特性,電晶體可單獨用於實作交換器與放大器,同時也是現帶電子電路學中,最基礎的元件。電晶體可根據不同方式組合,以建立各種複雜的電路。

作為交換器用途的電晶體

如上述,電晶體可產生比基極電流高出數倍的集極電流,因此集極電流與基極電流的比例又稱為順向電流增益或hFE。此一增益可介於100至700之間。
從圖6的電路可得知,若不要在IN端子施以任何電壓(0 V),則基極電流為零,因此集極電流也為零。由此可知,沒有電流通過負載電阻R L,且OUT端子的輸出為現在,若在基極與射極之間施以足量的高壓(一般約為0.7 V以上以及0 V),基極電流會開始流動,進而產生比基極電流高出hFE倍的集極電流;但實際電流仍由電阻負載R L限制在((12 V – Vce-sat(飽和電壓)/ R L)的數值中。這種類型的交換電路通常用於啟動微處理器、邏輯IC或類似的小型元件,以驅動無法直接驅動,而需要藉助大量電流驅動的裝置-如電源LED、繼電器或DC馬達。

图6 晶体管的开关工作

圖6  作為交換器用途的電晶體

積體電路的主要元件

FET(場效電晶體)有兩大類型:MOSFET(金屬氧化半導體FET)及JFETS(接面FET)。其中MOSFET比前述雙載子電晶體的構造更扁平,可以更密集的安置,而不會產生交叉干擾的問題,而且也可以在低功率狀況下運作。因此,MOSFET能夠支援更出色的積體與微型化運作,並成為IC及LSI的重要元件。以下概要描述MOSFET的運作方式。
圖7為N型MOSFET,此類型MOSFET有一個閘極端子(G),底下有一層作為絕緣體的氧化膜。G的一端則是源極(S),另一端則是汲極(D)。閘極與源極之間沒有電壓時,P型半導體會隔開源極,而汲極則提供絕緣體的功用。如此一來,電流便不會在源極與汲極之間流動。 然而,若在閘極施以電壓,便會吸引並帶出閘極下的自由電子,使得源極與汲極間的區域充滿大量的自由電子。這些電子形成一個供電流自由流動的通道。
換言之,閘極電壓是用於控制源極與汲極間的電流流動。

图7 N型MOSFET概要图

圖7  N型MOSFET

MOSFET主要用於交換器電路及放大器電路。此外,由於可利用閘極的固定電壓,在源極與汲極間產生固定電流流動,因此也可用於提供穩定的電流 。
在N型MOSFET上,該通道為N型。在P型MOSFET上,該通道為P型。

CMOS半導體:數位電路的基礎元件

CMOS(互補MOS)半導體由一組MOSFET所連接而成,如圖8所示。在IN端子施以0 V或VCC的電壓時,便會啟動其中一個或其他MOSFET,即VCC與GND(接地)之間幾乎沒有任何電流。因此,CMOS裝置非常適合用於製造低功率的邏輯電路。目前市面上大多數LSI和IC都是使用CMOS技術製造。

图8 CMOS构成的变频器

圖8  CMOS變頻器

在下期內容中,我們將瞭解基本的IC以及用於放大類比訊號的運算放大器。

了解嵌入式系统

  1. 被動元件
  2. 二極體、電晶體、FET
  3. 運算放大器