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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掺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。 图7 N型MOSFET概要图 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。 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 下期我们来学习一下放大模拟信号的基本IC和运算放大器。 来源：renesas

在特定电路配置下，输出电压有时可能会高于输入电压。 这将导致反向电流状况，并可能损坏您的电路。那么，应该如何防止反向电流的损害? 以下有3种常见的方法可以防止反向电流 - 二极管，MOSFET 和 负载开关。 二极管 二极管提供最简单且最便宜的反向电流保护方法。 但是，对于典型的二极管，二极管上的正向压降将Vcc限制在0.6V-0.8V，并增加了系统的功耗。 您可以选择肖特基二极管以減少正向压降，但它们較昂贵，而且有較多的反向电流泄漏。 MOSFETS ( MOS管 ) 使用如下所示2个MOS管串联的好方法。在MOS管关闭时，可以阻止從两个方向上來的电流。 MOS管的压降低于二极管解决方案，但缺点是这种方法需要更多的空间。 负载开关 与MOS管一样，负载开关可在关闭时阻止两个方向上的电流。 它们还减少了占地面积和BOM数量。 例如，Texas Instruments 的 TPS22963C 1 负载开关是用于反向电流保护电路。 在通过ON引脚禁用器件并且VOUT被强制为外部电压后，只有非常少量的电流将从VOUT流向VIN。 这将防止在外部电压的电源上产生任何额外的电流负载。 来源：digikey.cn

二极管有若干种不同的形状和特点，从微小型玻璃封装齐纳二极管到大型整流二极管PUK模块。肖特基二极管在这一范围中处于中间位置。那么肖特基有什么特别之处呢？ 一般来说，二极管可具备许多常见的参数，因此，作为参考，我们可以将肖特基二极管与“标准”二极管进行比较，也就是极其常见的硅P-N结整流二极管；如1N400x。 肖特基二极管因其独特的结构而得名。正是这种结构赋予了它独特的特能。 结构 肖特基二极管的结构与硅P-N结二极管有所不同。肖特基二极管使用的是键合到N型掺杂材料中的单层薄金属，而不是双层掺杂半导体材料。这种金属与N型半导体层叠的组合也称为M-S结（金属-半导体结），而这两种材料的会聚则称为肖特基势垒，二者皆以华特‧H‧肖特基（Walter H. Schottky）的名字来命名。 这种金属可以是贵金属中的任何一种（如铂、钨、金等），具体取决于厂商的绝密配方。 特性 肖特基势垒具有一些独特的特性，使该二极管成为某些应用的理想之选。与P-N结相比，M-S结产生的电子耗尽区更窄。 这使得肖特基二极管具有以下优点： 低正向电压 正向偏压时，肖特基二极管只需0.3-0.4 伏即可开始导通，而P-N结则需要0.6-0.7伏。这在必须节能的应用中非常有益，如电池驱动和太阳能电池应用。 借助低正向电压的优势，肖特基二极管可以有效地保护敏感器件不受过电压的影响。 高速开关 这种窄耗尽区非常适合高速开关应用，在该应用中，二极管需要在正向和反向偏压之间快速导通和断开。这种特性很适合降压升压转换器等开关电源。 低噪声 窄耗尽区可形成低电容二极管。这意味着，与P-N结二极管相比，肖特基二极管可避免嗡嗡声和其他电容噪声，因此成为RF电路的首选。 性能优势 与类似规格的P-N结二极管相比，肖特基二极管在高功率应用中的功耗更低且散热效率更高。 另一方面，窄耗尽区也有缺点： 漏电流 并非每个二极管都是完美无缺的，在反向偏压时，二极管可能会出现漏电流的情况。与P-N结二极管相比，肖特基二极管的耗尽区较窄，因此容易产生高漏电流。 反向电压较低 由于耗尽区较窄，与P-N结二极管相比，肖特基二极管无法承受高反向电压；肖特基二极管的电压范围在50V以内，而P-N结的电压范围通常从500V至上千伏不等。 应用 肖特基势垒的独特特性使其可广泛应用于大量电气和电子电路。举几个最为典型的例子： 电压箝位——由于肖特基二极管的正向电压较低，因此常被用于保护器件免受过电压或反向电压的影响，只需将电压箝位到简单的电压轨中即可，有时称为轨至轨控制电路。 高效阻塞二极管——同样由于正向电压较低，肖特基二极管还可用于光伏系统，有助于防止在产生的电量低于电池电压时通过太阳能电池放电。当太阳能电池全量生产时，肖特基二极管在电池充电过程中的开销很低。 开关模式电源——得益于其效率高且恢复时间短，肖特基二极管常用于高效率电源和直流-直流电压转换器电路内。 电池供电器件——如果低电压开销和高效率是关键考量因素，那么肖特基二极管就是不二之选。在电池供电的器件中，电压开销非常高，因此当需要阻塞二极管时，即可借助肖特基的低正向电压特点。有时候，肖特基二极管也不太用于电池供电的器件中：当它主要处于反向偏压状态时。因为与传统的P-N结二极管相比，肖特基二极管的漏电流会导致电池更快耗尽。 偏压？ 肖特基二极管至少可用于数千种应用。如果某种应用需要使用二极管，则应考虑肖特基二极管，而不是习惯性地使用1N400x。 来源：digikey.

Nexperia | 了解RET的开关特性 阅读本文，了解如何使用RET来应对标准BJT的温度依赖性。 可通过基极电流开启或关闭双极结型晶体管(BJT)。但是，由于基极-发射极二极管两端的压降在很大程度上取决于温度，因而在许多应用中，需要一个串联电阻将基极电流保持在所需水平，从而确保BJT稳定安全地工作。阅读本文，了解如何使用RET来应对标准BJT的温度依赖性。 为了减少元器件数量、简化电路板设计，配电阻晶体管将一个或两个双极性晶体管与偏置电阻组合在一起，集成在同一个晶片上。替代方案包括在基极-发射极路径上并联第二个集成电阻，以创建用于设置基极电压的分压器。这可以提供更精细的微调和更好的关断特性。由于这些内部电阻的容差高于外部电阻，因而 RET 适合晶体管在打开或关断状态下工作的开关应用。因此，RET 有时被称为数字晶体管。本文讨论了在开关应用中使用RET进行设计时的一些关键操作参数。 △ 配电阻晶体管(RET) 电压和电流(VI)参数 IC/IIN 是指RET的电流增益 hFE，其中的IIN包括基极电流和流经 R2 的电流（IR2 = VBE/R2）。因此，hFE 比 RET 小，后者只有一个串联基极电阻R1。因为输入电流从基极分流，所以 R2 值越低，hFE 值就越小。从表1可看出这一点。VCEsat 是 RET 开关处于导通状态时集电极-发射极的残余电压。 测量 hFE 的测试条件是施加 0.5 mA 的基极电流和 10 mA 的集电极电流。Vi(off)是 RET 器件关闭时的输入电压。在这种情况下，集电极泄漏电流为 100µA，集电极-发射极电压(VCE)为 5 V。表中提供的 V(Ioff)max 较低值是 RET 驱动级的最大允许输出电平。该条件必须要满足，以确保 RET 在关断状态下可以安全运行。当测试处于导通状态的 RET 时，VI(on)min 是最关键的参数。用于驱动 RET 的电路必须能够提供该电压电平，以确保安全开启。导通状态是指集电极-发射极电压为 0.3 V 时，集电极电流为 10 mA 的状态。RET 数据手册中规定的 VI 额定值仅针对这些测试条件有效。RET 需通过更大的基极驱动电压 VI(on)来获得更大的开关电流。图2 显示了 RET 晶体管的电压-电流(VI)开关特性。 ▶ VI < VI(off)max：所有RET器件均保证处于关断状态 ▶ Vi < Vi(off)typ：典型RET处于关断状态 ▶ Vi < Vi(off)typ：典型RET处于导通状态 ▶ VI(on)min：所有RET器件均保证处于导通状态 表 1 显示了导通和关断状态的输入电压对 Nexperia NHDTC 系列 RET 中的电阻分压器配置的依赖性。在 VI(off)条件下，会有一个微小的基极电流流过晶体管（约0.3 µA）。关闭 RET 所需的电压典型值与电阻比 R1/R2 有关。当晶体管关闭时，可以通过 R2 或基极-发射极二极管两端的压降目标来计算此值。对于 NHDTC 系列，该电压大约为 580 mV。 因此，电阻比为 1 时的 VI(off) 值具有相同的电压(表1中的第1-3行)。由于上述原因，当 R2 为 47 kΩ，且 R1 值为 2.2 kΩ、4.7 kΩ 或 10 kΩ时，关断状态的典型电压值均会较低。VI(off) max 需为偶数值，以确保器件在图 2 中最左侧的深绿色阴影区域内运行。 △ Nexperia的RET产品组合 正确选择电阻分压器至关重要，以确保 RET 的控制电压范围与驱动级相匹配。所需的集电极或负载电流会影响为导通状态提供的基极电流。可使用较低的 R1 和/或 流经 R2 的较小旁路电流来设置较高的集电极电流。 除了通用系列，Nexperia（安世半导体）还提供具有增强功能的 RET 器件， 例如，NHDTA/NHDTC 系列 RET(见表1)的 VCEO 为 80 V。这一特性使得这些器件非常适合 48 V 汽车应用。 PDTB 和 PBRN 系列 RET 支持 500/600 mA 的集电极电流，并可用于开关功率继电器和功率 LED。 有关温度的注意事项 在实际应用中，需密切关注VI参数的温度漂移。BJT 的 VBE 随温度升高而降低，其中系数约为 -1.7mV/K 至 -2.1mV/K。如图 3 所示，对于独立的 BJT，hFE 也会每开尔文增加约 1%。 △ 典型直流电流增益与集电极电流呈函数关系 VI(on) 为 IC 的函数，因此在相同的 VCE 下，需要更高的输入电压来驱动更多的集电极电流。低环境温度需要更高的输入电压，因为 VBE 增加，hFE 会降低。因此需要在低温下打开 RET 开关，这是应用的关键操作条件，并且需要足够的输入电压才能正确打开器件（图4）。 △ 典型导通状态输入电压与集电极电流呈函数关系 在关断状态下，高温条件非常关键。因此，驱动电路必须设计为在最高应用温度下输出电压远低于 VI(off) 典型值（图5）。 △ 典型导通状态输入电压与集电极电流呈函数关系 简单，但安全可靠 RET 是一种相对简单的器件，非常适合开关应用。尽管如此，设计人员必须了解影响其运行的参数，包括开关电压和电流，以及其受温度影响的情况。本篇博客文章提供了一些设计技巧，目的是确保 Nexperia（安世半导体）的 RET 在目标应用中安全可靠地运行。 *文章来源： Nexperia（安世半导体）应用营销经理 Burkhard Laue 著.

基于半导体的温度传感器通常集成到 集成电路 (IC) 中。这些传感器使用两个相同的二极管，它们具有温度敏感的电压与电流特性，用于监测温度的变化。它们提供线性响应，但在基本传感器类型中精度最低。这些温度传感器在最窄的温度范围（ -70°C 至 150°C ）内的响应速度也最慢。 基于半导体的温度传感器 IC 有两种不同的类型：本地温度传感器和远程数字温度传感器。本地温度传感器是通过使用晶体管的物理特性测量其自身芯片温度的 IC 。远程数字温度传感器测量外部晶体管的温度。 本地温度传感器可以使用模拟或数字输出。模拟输出可以是电压或电流，而数字输出可以采用多种格式，例如 IC 、 SMBus 、 1-Wire 和串行外设接口 (SPI) 。本地温度传感器感应印刷电路板上的温度或其周围的环境空气。 MAX31875 是一款极小的本地温度传感器，可用于多种应用，包括电池供电应用。 远程数字温度传感器通过使用晶体管的物理特性像本地温度传感器一样工作。不同之处在于晶体管远离传感器芯片。一些微处理器和 FPGA 包括一个双极感应晶体管，用于测量目标 IC 的管芯温度。