半导体与二极管半导体半导体用的最多的材料是硅与锗它们的最外层价电子都是4个都不容易挣脱原子核的束缚稳定半导体是介于导体与绝缘体之间的一种导体称为半导体它既不像导体容易挣脱原子核的束缚也不像绝缘体那样被原子核束缚的很紧本征半导体纯净无杂质N型半导体掺入杂质磷元素最外层电子是5个多出来一个电子使导电性能改变掺入磷元素使某种载流子电子浓度增加多数载流子是电子多余的是电子P型半导体掺入杂质硼元素最外层电子是3个少了一个电子形成共价键少一个电子形成空穴使导电性能改变掺入硼元素使某种载流子空穴增加多数载流子是空穴少子是电子空穴浓度大于自由电子浓度PN结的形成通过采用不同的工艺将P型半导体与N型半导体制作在同一个硅片上在它们的交界面处形成PN结P区会形成不能移动的负离子N区会形成不能移动的正离子形成内电场方向由N指向PPN结加上正向电压正向偏置规定的是P区加正电压、N区加负电压会使内电场减弱使扩散加强扩散飘移形成正向电流PN结导通PN结加上负向电压反向偏置规定的是P区加负电压、N区加正电压会使内电场增强使扩散减弱扩散飘移形成反向电流漏电流PN结截止二极管的参数一般看最大重复峰值反向电压、最高均方根电压、最大直流截止电压二极管的封装半导体二极管的应用应用于降压分压电路、稳压器、反极性保护用一个较大的二极管稳压管的原理稳压二极管的表示稳压二极管工作在反向击穿状态下当工作电流在和之间时其两端电压近似为常数稳压二极管的参数是稳压二极管工作在击穿区时的最小电流稳压管的应用路线电压调节线路电压可变作稳压ESD保护二极管参数截止电压ESD允许施加的最大工作电压击穿电压ESD开始雪崩击穿的电压钳位电压施加规定波形的峰值脉冲电流时ESD两端测得的峰值电压双极型晶体管晶体管的简介定义晶体管是一种基于半导体材料制成的电子器件通过控制电子或空穴的流动来实现对电信号的放大、开关灯功能。基本结构主要有双极型晶体管BJT和场效应晶体管FET两大类。双极型晶体管有三个区域组成分别是发射区、基区、集电区对应的引脚是发射级e、基级(b)、集电极(c)基区与集电区通过基区相互作用场效应晶体管根据结构不同分为结型场效应管JFET和金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET以MOSFET为例它有源级、栅极和漏极三个电极通过栅极电压控制源级和漏极直之间的电流双极型晶体管是一个电流控制器件它通过控制基极电流去控制发射级的电流MOSFET管是一个电压控制器件它通过控制栅源电压去控制漏极电流实现开关或放大双极型晶体管是一个三端的元器件可用作电控开关或放大器NPN型双极型用一个小的输入电流和正向电压在基极相对于发射级来控制非常大的集电极-发射极电流。而PNP型双极型晶体管用一个小的基极输出电流和基极负电压相对于发射级来控制一个大的发射极-集电极电流双极型晶体管是如何工作的发射结是从基极流向集电结正向集电结是从基极到集电极正向放大的条件是两条发射级正偏集电极反偏放大原理基区很薄施加正向电压时发射区的电子向基区复合形成基区电流另外一部分的电子被拉到集电区集电区的集电结反偏且节点面积大由发射区扩散到基区的自由电子在外电场的作用下越过集电结到达集电区形成集电极电流集电结反偏集电区和基区的少子也参与漂移运动但它的数量很少可以忽略不计漏电流、双极型晶体管电流分配关系由上面三式得到直流电流放大系数穿透电流输出特性曲线饱和区增大时不变是在放大区通过这个曲线知道只有增大基极电流才可以改变集电极的电流基极的电流一定时集电极的电流到达放大区时就会保存不变1放大区发射级正偏集电极反偏;,表现出对的控制作用2饱和区发射级正偏集电极正偏即3截止区基极输入、集电极输出剩下发射极是发射极放大电路场效应管与晶匣管场效应管是单极管也属于晶体管它只有一种载流子运动电子或空穴流向一个极因此叫单极型晶体管场效应管主要通过电压控制电流三极管中是通过基极电流控制集电极电流MOS管的工作原理N沟道EMOSFET管给两块N型半导体引出两个金属电极分别叫漏极和源极两个二极管一个导通一个截止为了使它们都能导通在P区加上一块很薄的二氧化硅绝缘层然后又在绝缘层上叠加了一层金属薄膜形成栅极给栅极接上电它就可以把P区里的电子吸引到绝缘层附近而把空穴赶走电压越大吸引过来的电子越多自由电子吸引得足够多时形成N沟道所谓N沟道就是N型半导体之间的沟道此时N沟道取代了原来P型半导体中的空穴由于N沟道取代了原来P型半导体中的空穴使得原来半导体之间的PN结不复存在MOS管有三个极D漏极G栅极S源极N沟道EMOSFET工作原理N沟道EMOS管外部工作条件保证栅漏PN结反偏U衬底极接电路最低电位或与S极相连保证源衬PN结反偏。形成导电沟道是栅极与源极之间的电压场效应管分类1、金属氧化物场效应管MOSFET2、结型场效应管JFETJunction Field Effect Transistor场效应管与三极管的主要区别1、场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。2、场效应管是单极型器件三极管是双极型器件种类三极管场效应管类比N1PN2PNPJFET结型场效应管MOSFET场效应管特性小电流控制大电流放大电流用小信号控制大信号控制开关的的不是电流而是施加在P极上的电压转换成的绝缘区域扩散的电场效应内容当P向N流过小电流时N1向N2就可以流过大电流但当P向N流过的电流消失N1到N2之间会出现绝缘区域时无法通过大电流类比NPN利用P极上负电压产生绝缘区域是属于电压生成的“电场效应”由这种电场效应来控制的半导体结构就叫“场效应管”当在G和S上施加电压时电容的场效应会吸引电子形成通道当两侧N型半导体通过电子通道连在一起时使得D和S导通可以通过大电流当D和S上的电压消失失去电容的场效应电子被释放之前所形成的电子通道快速瓦解这时通道两端的N型半导体恢复到之前的断开状态形成PN结结构实现100%完全断开解决了结型半导体无法完全断开的缺点完全可用于开关控制电路D和S不能调换因为D和S之间有一个寄生二极管缺点通过电流有限大电流必须穿过两层PN结会导致发热损耗只能通过电流控制电路不能通过电压来控制电路三极管只能做分立器件无法高集成化电压产生的绝缘区域是用加紧的方式断开电流绝缘区域做不到完全断开需要做到初始状态无电压断开加压之后导通集成电路与封装集成电路IC是将大量的电阻、电容和晶体管等器件集成在一个指甲盖大小的单晶硅片上实现特定功能的芯片封装是将芯片放在塑料或环氧树脂上集成电路可分为三种类型模拟、数字或模数混合。模拟集成电路用于产生、放大和响应各种电信号模拟集成电路主要有电压调节器、运算放大器、比较器、定时器和振荡器数字电路终于产生只有高电平和低电平两种状态的数字电压信号数字电路主要有逻辑门与门、或门、非门等、触发器。存储器、处理器、计数器、移位寄存器、多路传输器、编码器和解码器等。模拟数字混合集成电路兼有模拟和数字两种集成电路的功能。GPIO控制器原理GPIO控制器简介GPIO通用输入输出它是一个用于与外部设备通信的通用接口图由于芯片内部所能承受的电压有限因而IO引脚向里需要两个保护二极管钳位电压将过压“钳位”在安全范围内。当静电等瞬间电压波动进入I/O引脚时若此电压大于VDD3.3V则上方保护二极管导通将电压引入电源上拉电阻与下拉电阻的组合上拉电阻让这一点的电压保存一个高电平浮空输入浮空输入是一种高阻态模式不设置上拉或下拉引脚不连接到外部电路处于高阻状态。读取到的引脚状态是随机的上拉输入上拉输入的特点是连接内部上拉电阻引脚的默认电平为高电平常用于检测外部信号为低电平下拉输入下拉输入的特点是连接内部下拉电阻引脚的默认电平为低电平常用于检测外部信号为高电平三极管全称是“晶体三极管”也被称为“晶体管”是一种具有放大功能的半导体基极用于激活晶体管集电极三极管的正极发射极三极管的负极在嵌入式里三极管主要使用截止与饱和状态三极管分为NPN型和PNP型NPN型由P型半导体夹在两个N型半导体之间基极接正电压高电平触发导通PNP型由N型半导体夹在两个P型半导体之间基极接底电压低电平触发导通特性三极管MOS管控制方式电流电压功耗较高低功耗速度较慢较快应用场景低频、信号放大模拟电路、低功率驱动高频、高功率应用开关电源、电机驱动设置推完开漏是通过设置P-MOS、N-MOS的开关状态实现推挽输出假设I/O口连接了一个普通小灯假设它的工作电压是3.3.V则可以使用推挽输出模式推挽输出的工作模式电压就是3.3.V设置输出高电平P-MOS激活N-MOS关闭使得VDD与I/O引脚连通输出高电平电流产生小灯亮起输出低电平P-MOS关闭N-MOS激活VSS连接到I/O引脚对外对外输出0V的低电平没有电流产生小灯熄灭推挽输出具有一定的电压与电流驱动能力可以直接驱动一些合适的元器件工作需要更高或更低的电压驱动就要考虑其他工作模式开漏输出N-MOS管工作P-MOS一直处于断开状态使用HAL_GPIO_WritePin函数控制I/O口输出高电平则N-MOS管断开整个I/O内部处于高阻态或“断路”并不对外输出特点的电平信号电路断路小灯就不会亮起若控制控制I/O口输出低电平则N-MOS管激活I/O引脚与VSS连接小灯两端都是0V不会亮当我们将小灯的GND改为外部的5V控制I/O口输出低电平N-MOS管激活电流产生小灯亮起GPIO控制器HAL库常用接口GPIO引脚分为9个组GPIOA-GPIOI每一个组都有一个寄存器的地址访问对应的寄存器寄存器GPIOXMODER设置模式输入/输出/模拟/复用 地址0x00GPIOX_OTYPER 输出类型推挽/开漏GPIOx_OSPEEDER 输出速度中速/低速/高速/超高速高低电平反转最快速度GPIOx_PUPDR 设置上拉/下拉/无上下拉电阻GPIOx_IDR 读取IO口输入引脚高电平/低电平GPIOx_ODR 读取IO口输出引脚高电平/低电平GPIOx_BSRR IO口的复位/置位GPIOx_AFRL 对低位引脚进行复用GPIOx_AFRH 对高位引脚进行复用HAL库接口GPIO引脚初始化配置结构体typedef struct {uint32_tPin/*要配置的GPIO引脚*/uint32_tMode/*GPIO引|脚的工作模式*/uint32_tPull/*GPIO引l脚是否使用上、下拉电阻*/uint32_tSpeed;/*GPIo引脚电平反转速度*/uint32_tAlternate;/*!GPIo引脚复用模式*/}GPIO_InitTypeDef;GPIO 引脚状态使用一个枚举结构体设置状态typedef enum{GPIO_PIN_RESET 0, /*低电平状态*/GPIO_PIN_SET /* 高电平状态*/}GPIO_PinState;HAL_GPIO_ReadPin函数函数功能读取GPIO端口电平状态函数原型GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef*GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)函数参数GPIOxGPIO组控制器基址GPIO_Pin:GPIO组内引脚函数返回值GPIO引脚状态HAL_GPIO_WritePin函数函数功能设置GPIO端口电平状态函数原型void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)函数参数GPIOxGPIO组控制器基址GPIO_Pin:GPIO组内引脚PinState要设置的状态函数返回值无HAL_GPIO_TogglePin函数函数功能反转GPIO端口电平状态函数原型void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx,uint16_t GPIO_Pin)函数参数GPIOxGPIO组控制器基址GPIO_Pin:GPIO组内引脚函数返回值无LED的输出引脚GPIOx_ODR 置位1 读取IO口输出引脚高电平使LED灯灭没有压差按键输入电路由上拉电阻与滤波电容并联按键组成的按键输入电路
