Arduino教学拓展——二极管内部结构及其原理

在讲二极管之前先引入本征半导体和杂质半导体的概念

一、本征半导体和杂质半导体

(1)本征半导体

什么是半导体?

导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体

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什么是本征半导体?
本征半导体

本征半导体的结构

tip:本征半导体导电性很差


(2)杂质半导体

因为本征半导体的导电性很差,为了提高导电性,在本征半导体中掺杂少量合适的杂质元素得到杂质半导体
  • 杂质半导体有两种,分别为N型半导体和P型半导体
①N型半导体

在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代硅原子的位置,就形成了N型半导体。掺入的杂质原子最外层中有五个电子,所以除了与周围硅原子形成共价键外,还多出了一个电子。由上可知,N型半导体主要靠自由电子导电

N型半导体的结构

②P型半导体

在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代硅原子的位置,就形成了P型半导体。掺入的杂质原子最外层中有三个电子,所以它与周围硅原子形成共价键外,多除了一个空位。这个空位就是空穴,空穴带正电。由上可知,P型半导体主要靠空穴导电

P型半导体的结构

二、二极管内部结构

二极管的内部为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结,PN结是由N型半导体和P型半导体拼接在一起组成的。

二极管
.平衡状态下的PN结

如上图所示,P型半导体和N型半导体接触面形成PN结,P区中有大量空穴流向N区并留下负离子,N区中有大量电子流向P区并留下正离子(这部分叫做载流子的扩散),正负离子形成的电场叫做空间电荷区,空间电荷将产生一个与载流子扩散运动相反的电场,阻碍载流子的扩散运动(这部分叫做载流子的漂移)。PN结开始接触时,扩散运动强,随着扩散运动的进行,空间电荷区加宽,对扩散运动的阻碍加强。一段时间后,载流子的扩散与漂移达到动态平衡,所以PN结在不加电压下呈电中性。

ps:
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动
因电场作用所产生的运动称为漂移运动

  • 二极管有一个重要的特性:单向导电性
    即:PN结加正向电压时导通,加反向电压时截止
    左:PN结加正向电压 右:PN结加反向电压
  • PN结加正向电压:耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,PN结处于导通状态。
  • PN结加反向电压: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截止。

鸣谢:感谢广州大学曾老师提供的PPT

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