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

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（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。

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鸣谢：感谢广州大学曾老师提供的PPT