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单片机之基本元器件的工作原理

article 2025/2/10 12:56:04

一、二极管

二极管的工作原理

二极管是一种由P型半导体和N型半导体结合形成的PN结器件，具有单向导电性。

1. PN结形成

P型半导体：掺入三价元素，形成空穴作为多数载流子。
N型半导体：掺入五价元素，形成自由电子作为多数载流子。
PN结：P型和N型半导体结合后，在交界处形成耗尽层，阻止多数载流子扩散。

2. 单向导电性

正向偏置：P区接正极，N区接负极，耗尽层变窄，电流通过。
反向偏置：P区接负极，N区接正极，耗尽层变宽，电流几乎为零。

P型半导体和N型半导体的原理和作用

P型半导体

原理：

掺杂：在本征半导体（如硅或锗）中掺入三价元素（如硼、铝、镓）。
空穴形成：三价元素与半导体原子形成共价键时，缺少一个电子，产生空穴。
多数载流子：空穴成为主要载流子，带正电。

作用：

导电性：空穴的存在增强了半导体的导电性。
PN结：与N型半导体结合形成PN结，具有单向导电性。

命名方式：

“P"代表"Positive”，因为其主要载流子为空穴，带正电。

N型半导体

原理：

掺杂：在本征半导体中掺入五价元素（如磷、砷、锑）。
自由电子形成：五价元素与半导体原子形成共价键时，多余一个电子，成为自由电子。
多数载流子：自由电子成为主要载流子，带负电。

作用：

导电性：自由电子的存在增强了半导体的导电性。
PN结：与P型半导体结合形成PN结，具有单向导电性。

命名方式：

“N"代表"Negative”，因为其主要载流子为电子，带负电。

二极管接电源的应用

二极管是由P型半导体和N型半导体结合形成的PN结构成的。在P型半导体中，多数载流子为空穴（带正电），而在N型半导体中，多数载流子为电子（带负电）。

正向偏置（导通状态）

连接方式：当电源的正极连接到P型半导体侧，而负极连接到N型半导体侧时，这种连接方式称为正向偏置。
工作原理：在这种情况下，外部电场会推动N型中的自由电子向P型区域移动，并推动P型中的空穴向N型区域移动。这样，电子和空穴相遇并复合，形成电流。因此，在正向偏置下，二极管处于导通状态，允许电流通过。

反向偏置（截止状态）

连接方式：相反地，如果将电源的正极连接到N型半导体侧，而负极连接到P型半导体侧，则称为反向偏置。
工作原理：在这种情况下，外部电场的作用是阻止电子从N型区域流向P型区域，同时也阻止空穴从P型区域流向N型区域。这导致PN结变宽，耗尽区增加，从而有效地阻挡了电流的流动。因此，在反向偏置下，二极管处于截止状态，几乎不允许电流通过。

总结

正向偏置：电源正极接P型，负极接N型，二极管导通。
反向偏置：电源正极接N型，负极接P型，二极管截止。

这种特性使得二极管可以用于多种应用，如整流、信号检测和保护电路等。希望这个解释能帮助你更好地理解二极管的工作机制及其在实际应用中的使用方法。

个人理解

由于二极管内部构造是由P型号半导体和N型号半导体构成，形成了PN结，又因为P型号半导体带正电荷，N型半导体带负电荷，所以再外部，如果我们给P型半导体接入电源正级，N型接入电源负极。此时二极管就可以导通。因为N型半导体的负电荷会流入到P型半导体中的空穴位置，从而让二极管导通，如果电源负极接入P型半导体，正级接入N型半导体，由于正负极的电荷相互与外部电源吸引，导致二极管中的PN结的电子相互分离，从而无法导通。
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