软件工程师必备的硬件知识：二极管、三极管和MOS管详解

前言

        在嵌入式软件开发中，经常需要根据硬件原理图去进行GPIO口配置；如果你硬件知识一点都不懂，那么在开发中遇到问题，你就很难初步判定是硬件的问题，还是软件配置的问题。不一定需要掌握电路设计、会画PCB图，最起码能看懂基本的硬件原理图就行。

1.  二极管

1.1 基本概述

二极管，是一种具有两个电极的半导体器件，大多是使用硅或锗作为半导体材料，它最主要的功能特性就是只允许电流由单一方向通过（称为正向偏压），反向的时候阻断 （称为反向偏压）。

加正向电压时，硅二极管达到0.7V时导通，锗二极管达到0.3V时导通。

1.2 工作原理

晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场，P区是阳区，N区是阴区。

当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

1.3  电路应用

1.3.1  整流作用

整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换成脉动的直流电。

1.3.2  通断开关

 利用它的单向导电性，加正向电压导通，反向截止。

1.3.3  稳压作用

利用二极管的反向击穿特性制成的，在电路中其两端的电压保持基本不变，起到稳定电压的作用。

 1.3.4  其它

还有检波、续流等其它作用。

二极管知识链接、二极管电路应用

2. 三极管

2.1  基本概述

三极管，是一种控制电流的半导体器件，其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触点开关。作为软件开发，我们一般只需要懂得如何控制三极管的通断即可。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区(B)，两侧部分是发射区(E)和集电区(C)，又分为PNP、NPN型三极管（从电路图上来直观区别就是，箭头向外的是NPN，箭头指向里面（基极）的是PNP）。

 2.2  基本工作状态

把它们想象成两个PN结组成比较好理解：

2.2.1  放大状态

发射结正偏，集电结反偏；

NPN管：发射结正偏，即b -> e，所以Ub>Ue；

               集电结反偏，即c -> b，所以Uc>Ub；

               Uc > Ub > Ue；

PNP管：同理，Ue > Ub > Uc；

2.2.2  饱和状态

发射结正偏、集电结正偏；

NPN：Ub > Ue , Ub > Uc；

PNP：Ue > Ub , Uc > Ub；

在饱和状态，c极、e极之间相当于短路（可看成开关闭合导通状态）；

2.2.3  截止状态

发射结反偏，集电结反偏；

此时c极、e极之间相当于开路（可看成开关断开状态）；

2.3 电路应用

2.3.1  NPN应用

R9作为下拉电阻；作用有二：一是保证b、e极间电容加速放电，加快三极管截止，二是为了给b极一个确定信号；

当S4开关闭合时，流过R8的电压大概为0.7V，e端接地（0V），NPN三极管处于饱和状态，e-c导通。

2.3.2 PNP应用

 R6作为上拉电阻，S3开关未按下时，b极处于高电平，三极管不导通，开关按下后b极接地导通。

3. MOS管

3.1  基本概念

MOS管，是场效应管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，属于绝缘栅型。

有三个极性引脚，分别为S（源极）、G（栅极）和D（漏极）。有两条线的就是S极，G极在单独一侧，剩下的就是D极了。它又可以分为P沟道MOS管和N沟道MOS管。

3.2 沟道判断

3.2.1  N沟道

箭头指向G极的就是N沟道MOS管，作为开关时，D极作为输入端（接电源），S极输出端（接地）；

通常会连接一个二极管，二极管的方向跟N沟道箭头方向一致（由S极指向D极），如果是反过来接，二极管相当于短路，D极直接短路到S极，使MOS管失去了作用。

可以简单的认为，Ug > Us时导通，Ug = Us = 0V时截止。

 3.2.2 P沟道

箭头背向G极的就是P沟道MOS管，作为开关时，S极作为输入端，D极输出端；二极管的方向跟P沟道箭头方向一致（由D极指向S极）。可以简单的认为，Ug < Us时导通，Ug = Us = 0v时截止。

3.3  功能总结

MOS管（N/P沟道）用作开关时，连接的二极管阴极接输入端，阳极接输出端；

MOS管（N/P沟道）用作隔离（使用MOS管防止电流反向流）时，连接的二极管阳极接输入端。

 一篇易懂的MOS管文章链接

4. 三者区别

二极管和三极管是电流控制元件，通过控制基极电流才能达到控制集电极电流或发射极电流；

MOS管是电压控制元件，它的输出电流决定于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，MOS管更节能；

MOS管导通时压降小（相当于0V），二极管的导通压降在0.7-1.5V左右。