目录前言一、半导体基础知识1.1 PN结1.2 二极管1.2.1 开关二极管1.2.2 肖特基二极管1.2.3 快恢复二极管1.2.4 稳压二极管1.2.5 TVS1.3 三极管1.4 场效应管1.4.1 结型场效应管1.4.2 绝缘栅型场效应管耗尽型管1.4.3 应用市面占比MOSFET应用二组合电路分析2.1 双接口供电自动切换电路前言我们进行电路设计的时候二极管、三极管、场效应管这些是除了电阻电容以外用的最多的器件了。本文是一个笔记会先记录每种半导体器件的基础知识然后结合产品中实际电路进行分析。基础知识部分不过多涉及到具体原理只说明正常使用需要的知道的知识点。内容会继续更新对半导体知识点了解的同学直接看第二章。一、半导体基础知识1.1 PN结PN 结就是 P 型半导体和 N 型半导体 “挨在一起” 形成的带电薄层是二极管、三极管、MOS 管、集成电路的核心基础。N 型半导体掺了杂质多出来很多自由电子带负电。P 型半导体掺了杂质多出来很多空穴相当于带正电。把它们紧密结合就成了 PN 结。不接外部电压时PN 结内部的扩散运动和漂移运动形成动态平衡整体不产生电流。外接正向电压P 正、N 负耗尽层变窄加剧扩散运动减弱漂移运动。此时扩散运行形成电流称PN结导通。正向电压只有大于一定值导通电压才能形成可观测的电流。正向电压越大扩散运行形成电流的电流越大电流超过界限PN 结损坏。外接反向电压P 负、N 正耗尽层加宽加剧漂移运动减弱扩散运动。因为漂移运动是少子参与数目极少所有的少子一起进行漂移运动形成的电流也忽略不计。故称反向截止。但当外接反向电压达到一定值会击穿PN 结造成损坏。PN 结具有结电容一般是PF级低频率时结电容作用忽略不计。高频时不可忽略结电容影响PN 结外在特性。1.2 二极管PN 结封装起来形成二极管因为封装工艺和PN 结的P区和N区的浓度、体积不同形成了多种类型的二极管。因为二极管是由PN 结封的所以所有PN 结的特性二极管都有。二极管伏安特性曲线如图。Uon导通电压一般硅二极管为0.7V锗二极管为0.2V。由于封装特性二极管导通电压会大于单纯PN结的导通电压。If最大平均正向电流图中未体现超过此值会二极管损坏Is反向电流漂移运动形成的忽略不计的电流。Ubr反向击穿电压当反向电压超过此值二极管会被反向电压击穿失去反向截止的能力故接下来的电流会迅速升高。Ur最大反向工作电压一般是Ubr的一半图中未体现超过此值二极管会损坏实际中不要超过此值。以下是常见的具体类型二极管1.2.1 开关二极管这是一类导通 / 截止速度极快的二极管专门用来做电子开关。具有结电容小、电流小反向耐压低的特点。此类二极管最重要的应用是开关时间极短ns 级反向恢复时间极短。开关时间极短指的是外部电压从正向电压突然改变为反向电压对二极管来说也就是从导通到截止二极管这个过称所用的时间。普通二极管要几微秒几毫秒开关二极管几纳秒。反向恢复时间是指外部电压从正向电压突然改变为反向电压时正向电流需要消失恢复到反向截止工作状态的时间。时间等同于开关时间。反向恢复时间长“漏电” 的时间长高频下发热严重。作用单片机 IO 口保护、信号逻辑电平转换1.2.2 肖特基二极管这是一类由金属加半导体形成的结封装起来的具有正向压降很低0.2~0.4V、开关速度极快比开关二极管还快、反向耐压很低的特点。肖特基二极管性能优于开关二极管同时还具有正向压降低、正向电流很大的特性更适合高频电源。作用DC‑DC 开关电源续流、电池防反接、高频电源整流、正向低压大电流。1.2.3 快恢复二极管是一种普通二极管的高速版速度比普通整流二极管快很多但比开关二极管慢一点耐压大。作用因为耐压大可以做高压电源整流高压开关。1.2.4 稳压二极管它是专门工作在反向击穿区、用来稳定电压的二极管。普通二极管反向电压大过击穿电压就击穿烧坏。而稳压二极管故意让它反向击穿但不会坏而且两端电压保持稳定不变。此二极管有一个反向工作电流区间。[Imin Imax]。当反向电流低于Imin稳压效果变坏甚至不稳压。当反向电流高于Imax会因为结温升高而损坏。当反向电流在这个区间无论多大二极管的反向电压始终稳定在反向击穿电压。作用产生稳定参考电压、IO 口、端口过压保护、电平钳位、防静电。1.2.5 TVS中文名是瞬态电压抑制二极管也工作在反向击穿区只不过一般不工作。它的反向击穿速度极快稳压二极管反向击穿速度是us级而TVS是ps级。TVS的承受功率还很大能到几千瓦。当遇到高压尖峰静电、雷击、插拔干扰能瞬间导通把电压钳位在安全值把多余能量泄放掉。尖峰过去后自动恢复不工作状态不会损坏。作用保护芯片、端口、防浪涌以上就是常见二极管的作用这些二极管的功能有很多重叠部分实际考虑成本去搭配使用。1.3 三极管三极管Transistor是一种半导体器件用于放大或开关电子信号。它由三层半导体材料构成分为NPN和PNP两种类型核心功能是通过小电流控制大电流。三极管由三个电极和两个PN结组成无论是PNP还是NPN都符合下列特征。发射极Emitter掺杂浓度高负责载流子的发射。基极Base极薄且掺杂浓度低控制载流子的传输。集电极Collector面积较大收集载流子。三极管结构图如图所示以NPN为例分析。三极管的工作特性永远都是发射极多子扩散到基极形成发射极电流IE因为基极浓度很低少部分于基极少子复合形成基极电流IB大部分都继续扩散到集电极形成集电极电流IC。故有IE IB IC。下面进行一些特殊情况分析只分析主导作用的多子的影响。输入特性曲线分析Uce 0此时相当于集电极和发射极短路三极管退化成二极管只要Ube Uon就二极管导通形成电流IB IC IEUce 0当Ube Uon时此时除了动态平衡外发射极的多子扩散到基极和基极少子复合形成电流IB另外一部分继续扩散到集电极形成电流IC。IE IB IC。因为相比Uce 0少了一个集电结所以导体电压要加大。Ube Uon 且为定值加大Uce会增大除了动态平衡外发射极扩散到基极的多子继续扩散到集电极导致IB减小IC增大但当Uce增大到Ube值继续增大会因为发射极扩散到基极的多子有限而无法继续增大IE。输出特性曲线分析IB 0代表此时Ube Uon除了动态平衡外发射极没有多子扩散到基极就更没有多子继续扩散到集电极从而IB 0从而无论Uce多大IC 0。这种工作状态称为截止区IB 0代表此时Ube Uon除了动态平衡外发射极有多子扩散到基极形成电流IB剩余多子继续扩散到集电极形成电流IC当Uce增大IC增大此时工作状态称为饱和区当Uce增大到Ube即Uc Ub继续增大会因为发射极扩散到基极的多子有限而无法继续增大IE。此时工作状态称为放大区。在放大区内有IC A* IBIE 1A*IB。A为放大系数直流和交流下该系数几乎相等因为晶体管有PN结电容存在高频下特征会发生改变。除此之外有一些参数需要了解。最大集电极耗散功率Pcm定义为Pcm Ic*Uce超过此值三极管损坏最大集电极电流Icm当Ic增大到使放大系数A发生变化时减小的Ic称为Icm实际中避免超过此值。还有三个反向击穿电压实际中加入电压不能超过此值。1.3.1 实际应用以NPN为例实际应用电路如下图所示其中 V1 作为控制信号Vcc是驱动电源Uc或Ue作为下级电路的驱动源。当V1输出低电平也就是0V时此时UB约等于UE三极管截止UC等于VCC这个工作状态很简单。当V1输出高电平此时UB大于UBE三极管导通。此时会满足以下公式当基极电阻R1很大时会导致基级电流Ib很小此时集电极电流 Ic 最大为 A* Ib 所以 Ic也会很小那么此时Uce就必须有一个较大的值此时三极管也就工作在放大区线性区。这种时候三极管一般用于模拟运用应用场景为LDO、信号放大器或PWM 调光等。此时需要精准调节Ib来使系统正常工作。以上这种功能都集成为具体的模拟芯片了一般不会自行使用三极管设计。当基极电阻R1变得非常大会导致基级电流Ib非常小此时也就进入了截止区此时三极管相当于一个断开的开关和集电极与发射极之间不导通类似。当基极电阻R1很小时会导致基级电流Ib很大Ic也就能很大外部电路能提供的最大电流Ic有限达不到理论在放大系数 A*Ib 下的值。此时三极管就进入了饱和区换句话说若外部电路能提供的最大电流Ic能达到 A*Ib 那么还是放大区。此时Uce几乎为0实际是0.2V左右。这种工作状态用作开关应用也是最常见的应用市面上的通用小信号三极管绝大多数也用于饱和开关工作。当基极电阻R1变得非常小会导致Ib仅受限于驱动源内阻和基区体电阻可能瞬间达到数百 mA 甚至安培级。超过三极管极限从而烧坏三极管所以必须合理控制基极电阻R1​​​​​​​。1.3.2 基极电阻的计算当处于饱和区时有三极管在放大区中 Ic A* Ib退到饱和区的话Ic 会远小于A* Ib输出特性曲线可以看出这一点。但是此时 Ic 依旧受到 Ib 的影响此时不妨设 Ic β* Ib。参数 β 是强制饱和倍数按经验值选10~20。将以上信息带入公式得到接着去期间手册查找三极管的最大基级电流Ib有可能没有明确给出需要去看图表得知一般保持10mA以下即可最大不超过20mA计算得下面给出一个数据来计算当三极管用于开关时此时Vcc为3.3VR2为4.7KR3为0。参数 β 选为10Ube为0.7V导通时V1约为3.3V。计算得到R1需小于37K需大于0.26K。实际使用选510R合理1.4 场效应管场效应管Field-Effect TransistorFET是一种利用电场效应控制电流的半导体器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电称为单极性晶体管。场效应管的主要分为结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管MOSFET1.4.1 结型场效应管结型场效应管有P沟道和N沟道两种类型。N沟道类型的就是在一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区两个P区连接在一起形成栅极G、N型半导体的两端分别引出电极一个称为漏极D、另一个称为源极S。P沟道类型的就是在一块P型半导体上制作两个高掺杂的N区两个N区连接在一起形成栅极G、P型半导体的两端分别引出电极一个称为漏极D、另一个称为源极S。无论是P沟道还是N沟道管子内都有两个耗尽层也就是说有两个PN结结型场效应管设计的工作场景是PN结截止PN结导通会极易烧毁场效应管。以N沟道类型分析。先另Uds 0当Ugs 0不加外部电压场效应管内部动态平衡。当Ugs 0PN结截止耗尽层加宽d、s之间的导电通道变窄当Ugs减小到Ugs_off耗尽层继续加宽直至充满内部d、s之间的导电通道消失。继续减小Ugs更加稳固上一个状态。当Ugs_off Ugs 0时Uds 0因为存在导电通道Uds越大产生电流Id越大但因为增大Uds导致D点电势比S点电势高对于PN结来说越靠近D点PN结截止电压越大从而耗尽层越宽。也就说越靠近D点导电通道越小。Uds | Ugs_off | - | Ugs |当继续增大Uds直至使得Ugd Ugs_off此时在D点附近耗尽层相接导电通道消失。但此时电流Id不会消失而是感受到了巨大的电阻。当Uds继续增大此时导电通道消失区域增大电流Id受到的阻力进一步增大但因为Uds增大加强了电流Id的驱动两种趋势抵消从而使电流Id不变。此时想继续增大Id唯有增大Ugs来减弱PN结截止程度。输出特性曲线输下夹断区就是Ugs Ugs_off的场景此时电流Id几乎为0可变电阻区就是Uds | Ugs_off | - | Ugs |的场景此时增大Uds电流Id明显增大恒流区就是Uds | Ugs_off | - | Ugs |的场景这也是结型场效应管正常的工作区间此时增大Uds电流Id不变电流Id由Ugs决定Id B * Ugs。B是控制系数称为低频跨导。Uds增大到一定大小会击穿场效应管造成损坏。另外在以上过程中如果Ugs大于0会导致Id急剧增大从而烧毁场效应管。Ugs 0时的恒流区产生的电流Id是场效应管正常工作能承受的最大电流称为饱和漏极电流Idss。理论上。在结构上源极 S、漏极 D 是几何对称的S、D 互换也能工作。也就是说电流能从D流向S也能设计成从S流向D。但设计的正常工作电流是从D流向S长时间稳定工作不建议更换流向。1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管也称MOSFET它的栅极与源极、栅极与漏极之间采用SiO₂绝缘层隔离不是 PN 结。这导致它的栅极与源极之间的电阻比结型场效应管大得多。MOSFET有四种类型分为N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。N沟道增强型MOS管结构示意图如图所示。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底利用扩散工艺制作两个高掺杂的N*区并引出两个电极分别为源极s和漏极d半导体上断制作一层SiO2绝缘层再在SiO2之上制作一层金属铝引出电极作为栅极g。通常将衬底与源极接在一起使用。这样栅极和衬底各相当于一个极板中间是绝缘层形成电容。注意SiO2绝缘层是上面一个平面两个PN结不是。当Uds 0时Ugs 0时漏源之间不存在导电沟道因此即使漏-源之间加电压也不会有漏极电流。Ugs 0时g极金属层将聚集正电荷 它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴使之剩下不能移动的负离子区形成耗尽层PN结的耗尽层一般是一半正离子区、一半负离子区。当Ugs增大时排斥了更多的SiO2一侧的空穴耗尽层增宽。另一方面g极金属层聚集的正电荷将衬底的自由电子吸引到耗尽层与SiO2绝缘层之间形成一个电子薄层搭出一条 “临时小沟道”接下来继续吸引源极 N 区的自由电子最终形成类似N型半导体层多子都是自由电子称为反型层。这个反型层就构成了漏一源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压Ugs_th。整个过程中由于SiO2的存在g极电流始终为零。Ugs愈大反型层愈厚 导电沟道电阻愈小。当Ugs Ugs_th时Uds 0因为此时存在导电通道Uds越大产生电流Id越大但因为增大Uds导致D点电势比S点电势高对于反型层来说越靠近D点与g极之间的电压差越小该点对电子的吸引能力越弱从而反型层变窄。也就说越靠近D点导电通道越小。Uds Ugs - Ugs_th 当继续增大Uds直至使得Ugd Ugs_th此时在D点附近反型层消失导电通道消失。但此时电流Id不会消失而是感受到了巨大的电阻。当Uds继续增大此时导电通道消失区域增大电流Id受到的阻力进一步增大但因为Uds增大加强了电流Id的驱动两种趋势抵消从而使电流Id不变。此时想继续增大Id唯有增大Ugs来扩宽反型层。输出特性曲线输下夹断区就是Ugs Ugs_th的场景此时电流Id几乎为0可变电阻区就是Uds Ugs - Ugs_th的场景此时增大Uds电流Id明显增大恒流区就是Uds Ugs - Ugs_th的场景这也是MOSFET正常的工作区间此时增大Uds电流Id不变电流Id由Ugs决定Id B * Ugs。B是控制系数。Uds增大到一定大小会击穿MOSFET造成损坏。MOSFET也有正常工作下允许的最大电流要避免超过此电流。耗尽型管耗尽型管是在制造时在SiO2绝缘层中掺入大量正离子那么即使Ugs0在正离子作用下也存在反型层即漏-源之间存在导电沟道。只要在漏-源间加正向电压就会产生漏极电流。并且其实在怎加Ugs反型层变宽导电沟道变大反之Ugs为负时反型层变窄沟道电阻变大。而当Ugs减小到一定值时反型层消失 漏-源之间导电沟道消失。此时的Ugs称为夹断电压Ugs_th。所有类型工作曲线如下1.4.3 应用市面占比市面上几乎都是绝缘栅型场效应管绝缘栅型MOSFET通吃了几乎所有场景结型JFET只留在极小众的应用里绝缘栅型优势如下1. 栅极绝缘 → 驱动极省、功耗极低MOSFET栅极是SiO₂ 绝缘层输入阻抗接近无穷大几乎不取电流数字电平直接就能驱动。JFET栅极是PN 结必须反偏有漏电流驱动电路更麻烦、静态功耗更大。2. 有「增强型」天生适合做数字电路MOSFET 有增强型Vgs0 时关断完美适配 0/1 数字逻辑。JFET 只有耗尽型Vgs0 时导通用来做开关、CPU、逻辑门非常别扭。3. 工艺能高度集成 → 撑起整个芯片行业现代 CPU、MCU、Flash、SoC 全是CMOS 工艺NMOS PMOSJFET 没法做 CMOS集成度、成本、尺寸完全打不过。4. 功率性能碾压适合电源、电机、快充功率型 MOSFET 导通电阻极低、开关速度快、耐压电流范围极宽从手机快充到电动车、服务器电源全是 MOSFET 的天下。JFET 功率弱、耐压低基本进不了功率市场。MOSFET应用我们平时工程中看到的MOSFET原理图如下多了一个从源极到漏极的二极管。这个二极管并不是工程师额外焊接上去的它是 MOSFET天生自带的寄生体二极管是半导体结构的一部分所有功率 MOSFET 都有。在前面的结构图可以看出MOSFET的S极与衬底、D极与衬底之间会形成PN结但我们知道衬底必须和源极 S 短接说明S极与衬底间的PN结始终动态平衡PN结两端不会有压差。但D极与衬底之间形成的PN结会形成一个二极管也就是原理图中的这个二极管。在前面所有的分析中只要Uds大于零这个体二极管截止不会产生影响。接下来分析一下Uds小于零的情况。Ugs Ugs_th此时不会形成导电通道当Uds Uds_on此时体二极管导通电流从s极到衬底到D极流出Ugs Ugs_th此时D、S间形成导电通道当Uds Uds_on此时体二极管导通电流有两条路径一条是从s极到衬底到D极流出还有一条是从s极到导电通道到D极流出。反向导通特性如下二组合电路分析2.1 双接口供电自动切换电路这是微雪的一个开发板《ESP32-P4-Module-DEV-KIT》上的供电设计电路我们拿来分析一下。开发板共有两个USB供电接口分别为USB0_5V和USB1_5V这些电路的作用是无论哪个USB供电都实现自动切换且防止对另一个USB接口的电流倒灌。AO3401是一个增强型P沟道MOSFET下图是漏极电流和栅源电压的关系。LMBT3906DW1T1G是两个PNP三极管的集合下图是CE间饱和压降和BE间饱和压降的参数现在我们来分析一下工作状态。当USB0_5V接入4.9V实际电脑的USB接口电压会略低于5V先看U3E2电压就是4.9VB2和C2一开始通过R12下拉为0VUeb远大于导通电压故发射极与基极饱和导通Ib2 和 Ic2 的和小于4.9V/10KIb2 Ic2 0.49mA。此时Veb几乎等于最小值也就是0.65V。也就是说此时B2和C2拉高到4.9 - 0.65 4.35V从而B1 4.35V。再看Q2当D极电压为4.9VMOSFET体二极管导通S极电压大致拉高到4.9 - 0.7 4.2V。此时G极通过R14下拉为0VUgs远小于导通电压Ugs_th故MOSFET导通MOSFET的DS间导通电阻极小不大于100mR故此时S极进一步上升到等于D极电压4.9V。综合分析当Q2的S极为4.9V那么U3的E1也为4.9V因为此时B1 4.35V故三极管导通因为R14有51K故Ic1小于4.9V/51KVce几乎为0故C1电压为4.9V那么此时Q2的G极也就是4.9VUgs 0MOSFET截止S极电压下降那么U3的E1也要下降那么该三极管截止C1就断开重新被R14下拉到0V那么MOSFET又导通了。这些过程都瞬间发送不可能存在这个矛盾所以整体会寻求一个平衡点。从图中看Ugs_th为-1.3VMOSFET导通此时刚好导通S极就估计为低于D极0.1V也就是为4.8VG极要小于4.8 - 1.3 3.6V。此时三极管的Uec 1.3V因为Ic1几乎为0没有能力再去驱动C1下降故C1就保持在3.7V。这样就平衡了。右侧先看U5经过左侧电路VCC为4.8VE1就是4.8VB1通过R21下拉为0V饱和导通同理B1被上拉到4.8 - 0.65 4.15V这么看同理C1会等于E1为4.8V。继续看Q5MOSFET的S极为4.8VG极等于C1为4.8VUgs 0MOSFET截止D极为0V。整体不矛盾那就合理。实际中我也测量了以上各点电压来看看理论和实际的区别端口理论值V实际值(V)误差Q2的D极、U3的E24.94.90Q2的G极、U3的C13.63.522.2%Q2的S极、U3的E14.84.851%U3的B2、C2、B14.354.262.1%Q5的D极、U5的E2000Q5的G极、U5的C14.84.840.8%Q5的S极、U5的E14.84.851%U5的B2、C2、B14.154.160.2%可以看出只要理论正确和实际的区别会非常小。要说明一下以上电压都是无负载估价情况下的当开发板工作驱动电流增大各路电压应该都会下降。因为两个电路是对称设计换一路供电结果一样。可以得知不管哪路供电都不会对另一路的供电接口产生影响。如果两个电路同时供电各点电压驱动能力更强。一般下拉电阻范围为4.7K~10K那为什么R14和R22电阻选的很大按上面分析如果R14变小集电极电流Ic1就会增大驱动C1下降能力增强从而Q2的S极电压下降。这会导致输入电压损耗比较大。当然也不能把R14变的非常大因为三极管和MOSFET都有结电容按时间常数为RC来看电阻越大跳变沿时间越久就会降低电路开关速度。