模電-二極管及其應用51單片機LED點亮前置工作!

今日小記

2024-7-2,星期二,16:32,天氣:晴,心情:晴。持續了兩個星期的梅雨天終于暫時過去啦,迎來了久違的陽光,雖然沒有雨天涼快,但是能看到太陽也是開心噠,心情都明媚了起來,今天也是無事發生的一天,話不多說,開始學習啦!

學習筆記

一、二極管及其應用

1. 半導體原子結構

(1)電子層和軌道:

在波爾原子模型中,原子分為原子核(帶正電的質子和不帶電的中子),與帶負電的核外電子,如下圖所示:

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電子與原子核之間的距離決定了電子的能量,電子的運動軌道離原子核越近則電子的能量越小;運動軌道離原子核越遠則能量越大,而這些軌道與原子核的距離不同意味著他們之間的能級不同,我們一般把這種能級稱為“”。

(2)價電子、傳導電子與離子:

  • 價電子:最外層軌道上的電子

  • 傳導電子:當價電子獲得足夠多的能量掙脫原子核的束縛時就成為了自由電子,這種自由電子就是傳導電子

  • 離子:當一個帶負電的電子掙脫原子核束縛后,剩余的帶正電的原子稱為正離子;而逃逸的自由電子依附于一個或一組中性原子上就形成了負離子

(3)價帶與導帶:

  • 價帶:大量原子的價電子所聚集的區域

  • 導帶:大量自由電子所聚集的區域

對于金屬而言,價帶與導帶能量級有重合的部分;對于半導體而言,導帶比價帶能量級更高(導帶與價帶具有一定能量差);而對于絕緣體而言,導帶與價帶間的能量差更大

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絕緣體與半導體最大的差異就是其價帶與導帶的能量差不同,對于半導體來說,只有在“絕對零度”的環境下,其內部的電子才均存在與導帶,而在室溫環境下就有大部分的電子可以從價帶轉移到導帶,即為傳導電子。

(4)電子電流與空穴電流:

  • 電子-空穴對:當價電子通過熱能或光能激發進入導帶時,會在價帶留下一個空穴,這一對電子和空穴即為電子-空穴對。

對于一塊本征(純凈)硅而言,其在室溫下內部總會有一定的導帶(自由)電子,這些電子在材料中無規則運動,當這些導帶電子躍入導帶時同樣會在夾帶中留下空穴(這里有一點需要注意,導帶是一個能級區域的概念,而導帶電子只說明他的能量足以掙脫原子核的束縛變成自由電子,并不意味著該電子已經進入導帶!!!!)。在半導體中,自由電子的移動會產生一種電流,即為電子電流;而由于價電子的躍遷會在價帶中產生空穴,其他留在價電子中的電子雖然不能掙脫原子核的束縛,但是可以通過改變能級移動到附近的空穴,從而在自己原有的位置上留下新的空穴,其結果為空穴從一個位置移動到另一個位置,因為空穴位置改變產生的電流為空穴電流(空穴電流的實質是價電子的轉移!

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2. PN結

(1)摻雜:本征硅原子的導電性能較弱,所以一般在其中加入特定的雜質以增加其載流子(空穴&電子)的數量,從而增加其導電能力,這個過程稱為摻雜,按加入的雜質的價態不同,摻雜后的硅分為p型n型

(2)p型硅:在本征硅中摻雜3價元素(受主原子),3價元素的原子只有三個價電子,每個3價原子與周圍的4個硅原子形成共價鍵,由于形成晶體需要四個價電子,所以每加入一個3價原子就會產生一個空穴,即p型半導體中空穴為多數載流子。

(3)n型硅:在本征硅中摻雜5價元素(施主原子),5價元素的原子只有五個價電子,每個5價原子與周圍的4個硅原子形成共價鍵,由于形成晶體只需要四個價電子,所以每加入一個5價原子就會多出一個自由電子,即n型半導體中自由電子為多數載流子。

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(4)PN結:在一塊本征硅的一般形成n型半導體,另一半形成p型半導體,則在交接面處會形成pn結,pn結形成了基本的二極管,二極管是一種只允許電流超一個方向流動的器件。

(5)耗盡區:當pn結形成后,pn結附近n型區內的自由電子漂移到p區并與p區的空穴復合,這會在n區留下一個僅含正電荷的5價原子;同理,當電子與p區的一個空穴復合,會在p區產生一個帶凈負電荷的3價原,綜上,如圖所示,在pn結的p區會有負離子,n區會有正離子,正負離子組成的區域稱為耗盡區,在耗盡區處存在勢壘電壓(Vb),硅的勢壘電壓為0.7V,鍺的勢壘電壓為0.3V:

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為了擴散到p區,n區的導帶電子必須克服正離子的吸引力和負離子的排斥力,在例子層形成后,結兩邊的自由電子和空穴急劇減少(隨著自由電子和空穴的復合,產生的正負離子的數量會急劇增加,相應的吸引力與排斥力也會不斷增加!)故這一區域被稱為耗盡區。電荷穿過交界處的任何運動都要克服勢壘電壓。

3. 半導體二極管的偏置

(1)偏置:給半導體器件外加固定直流電壓的工作條件

(2)正向偏置的電源接法:電源的負極接到n區,電源的正極接到p區。當二極管正向偏置時,二極管的陽極(發射電子端)電位比其陰極(接收電子端)電位高。

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(3)正向偏置的工作原理(電路接通):

當一個直流電源正向偏置二極管時,由于靜電排斥,電源的負極會推動n區的負電子向pn結移動,電源的正極則會推動p區的空穴向pn結移動(空穴不會移動,本質上是p區的少數自由電子被吸引向電源的正極移動)正向偏置的工作原理從p/n兩個區域進行分開討論:

  • 對于n區:當外加電壓可以克服耗盡區的勢壘電壓時,n區的自由電子穿過pn結進入p區與p區的空穴復合,當n區的電子離開時,電源負極會源源不斷的為n區提供電子,因此,n區的多數載流子(自由電子)向p區移動本質上形成了流向n區的電流(電流的方向為電子移動方向的反方向)

  • 對于p區:當自由電子與p區的空穴復合后變為價電子,價電子在電源正極的吸引下不斷的從遠離電源的空穴跳到靠近電源的空穴,反應為p區多數載流子空穴向n區移動,即產生向n區流動的電流(空穴為丟失電子產生的,所以可以視為帶正電,所以空穴的移動方向可看作正電荷的移動方向,即電流的移動方向)。

綜上,在正向偏置的情況下,電路接通,二極管內部電流從p區流向n區,整體電路電流由正極流向負極。

(4)反向偏置的電源接法:電源的負極接到p區,電源的正極接到n區。當二極管正向偏置時,二極管的陽極(發射電子端)電位比其陰極(接收電子端)電位低。

(5)反向偏置的工作原理(電路截止):

當直流電源反向偏置時,電源負極吸引p區的空穴遠離pn結(本質是排斥電子向pn結移動),同樣的電源的正極會吸引n區的自由電子遠離pn結,這樣一來,pn結附近的正負離子數量會不斷增加,這會導致耗盡區越來越大,勢壘電壓越來越大,當勢壘電壓等于外部偏置電壓時,耗盡區的寬度不會增加,如下圖b。耗盡區實際上可以看作位于正負離子層之間的一個絕緣體。

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下面介紹二極管反向擊穿時的兩個重要參數:

  • 峰值反向電壓(PIV):二極管反向偏置時必須承受的加在其兩端的最大外部反向偏置電壓,否則會被擊穿(PIV一般高于反向偏置電壓)

  • 反向擊穿的產生:當外部反向偏置電壓增大到足夠大時會發生雪崩擊穿,即少數導帶電子從電源處獲得足夠大的能量從而加速向二極管p區移動,在它運動過程中它每碰撞一個原子并給予其足夠的能量使一個價電子進入導帶,這時就會有兩個導帶電子,這兩個導帶電子由繼續碰撞其他原子生成四個導帶電子,這種導帶電子的倍增稱為雪崩效應導帶電子的倍增會導致反向電流急劇增大,從而損壞二極管

二、單片機-點亮LED燈

1. 單片機的內部資源

單片機的內部資源共分三種,即程序存儲空間(Flash)、數據存儲空間(RAM)、特殊功能寄存器(SFR)。

(1)SFR:與早期使用的OTPROM(一次可編程只讀存儲器)不同,Flash作嘔為新一代程序存儲器,擁有可重復擦鞋且容量大、成本低的優點,最終要的是,其可以保證斷電后數據不丟失。

(2)RAM:RAM是單片機的數據存儲空間,用來存儲程序運行過程中產生和需要的數據,斷電后數據會丟失,但是讀寫速度快,理論上可以無限寫入。

(3)SFR:SFR是特殊功能寄存器,單片機中每個功能都對應一個或多個SFR,用戶就是通過不同的SFR來完成不同的功能的。

2. 單片機的最小系統

單片機的最小系統由電源晶振復位電路組成,以下圖為參照,介紹這三大要素:

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(1)電源:學習使用的STC89C52單片機需要5V的供電系統,供電電路在引腳40和引腳20的位置上,40引腳接的是+5V,通常稱VCC或VDD,代表電源正極20引腳接的是GND,代表電源的負極,在VCC和GND間還有一個電容。

(2)晶振:晶體振蕩器,它為單片機系統提供基準始終信號,單片機內部所有工作都是以這個時鐘信號為步調基準來進行工作的。STC89C52單片機的18、19引腳是晶振引腳,接了一個11.0592MHz的晶振和兩個20pF的電容(幫助晶振起振,維持振蕩信號)

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(3)復位電路:復位電路接在帶你路的9引腳(RST標識)上。單片機的復位包括三種:上電復位手動復位程序自動復位

3. 點亮LED燈

(1)51單片機特有的兩條指令:

  • sfr P0 = 0x80:語句中,sfr是關鍵字,其作用是定義一個單片機特殊功能寄存器,51單片機內部有很多小的模塊,每個模塊都居住在擁有唯一房間號的房間內,每個模塊有8個控制開關,以這條語句為例,P0就是一個功能模塊,住在0x80房間內,開發者就是通過設置P0內部這8個開關來讓這8個I/O接口輸出高電平/低電平的,如果想使用必須提前進行sfr聲明。

  • sbit LED = P0 ^ 0;:sbit就是對SFR八個開關里面的其中一個進行定義,經過上述語句定義,以后只要在程序中些LED就代表P0.0口(P必須大寫)

(2)程序編寫

  • 按如下新建工程Project,選擇CPU為51Intel的80/87C52CPU(如果CPU選擇欄為空白時需要自己在Keil官網自行下載!!!):

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今天就到這里啦,明天在繼續學習!

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