今日小记

2024-7-2，星期二，16:32，天气：晴，心情：晴。持续了两个星期的梅雨天终于暂时过去啦，迎来了久违的阳光，虽然没有雨天凉快，但是能看到太阳也是开心哒，心情都明媚了起来，今天也是无事发生的一天，话不多说，开始学习啦！

学习笔记

一、二极管及其应用

1. 半导体原子结构

（1）电子层和轨道：

在波尔原子模型中，原子分为原子核（带正电的质子和不带电的中子），与带负电的核外电子，如下图所示：

电子与原子核之间的距离决定了电子的能量，电子的运动轨道离原子核越近则电子的能量越小；运动轨道离原子核越远则能量越大，而这些轨道与原子核的距离不同意味着他们之间的能级不同，我们一般把这种能级称为“层”。

（2）价电子、传导电子与离子：

• 价电子：最外层轨道上的电子

• 传导电子：当价电子获得足够多的能量挣脱原子核的束缚时就成为了自由电子，这种自由电子就是传导电子

• 离子：当一个带负电的电子挣脱原子核束缚后，剩余的带正电的原子称为正离子；而逃逸的自由电子依附于一个或一组中性原子上就形成了负离子

（3）价带与导带：

• 价带：大量原子的价电子所聚集的区域

• 导带：大量自由电子所聚集的区域

对于金属而言，价带与导带能量级有重合的部分；对于半导体而言，导带比价带能量级更高（导带与价带具有一定能量差）；而对于绝缘体而言，导带与价带间的能量差更大：

绝缘体与半导体最大的差异就是其价带与导带的能量差不同，对于半导体来说，只有在“绝对零度”的环境下，其内部的电子才均存在与导带，而在室温环境下就有大部分的电子可以从价带转移到导带，即为传导电子。

（4）电子电流与空穴电流：

• 电子-空穴对：当价电子通过热能或光能激发进入导带时，会在价带留下一个空穴，这一对电子和空穴即为电子-空穴对。

对于一块本征（纯净）硅而言，其在室温下内部总会有一定的导带（自由）电子，这些电子在材料中无规则运动，当这些导带电子跃入导带时同样会在夹带中留下空穴（这里有一点需要注意，导带是一个能级区域的概念，而导带电子只说明他的能量足以挣脱原子核的束缚变成自由电子，并不意味着该电子已经进入导带！！！！）。在半导体中，自由电子的移动会产生一种电流，即为电子电流；而由于价电子的跃迁会在价带中产生空穴，其他留在价电子中的电子虽然不能挣脱原子核的束缚，但是可以通过改变能级移动到附近的空穴，从而在自己原有的位置上留下新的空穴，其结果为空穴从一个位置移动到另一个位置，因为空穴位置改变产生的电流为空穴电流（空穴电流的实质是价电子的转移！）

2. PN结

（1）掺杂：本征硅原子的导电性能较弱，所以一般在其中加入特定的杂质以增加其载流子（空穴&电子）的数量，从而增加其导电能力，这个过程称为掺杂，按加入的杂质的价态不同，掺杂后的硅分为p型和n型。

（2）p型硅：在本征硅中掺杂3价元素（受主原子），3价元素的原子只有三个价电子，每个3价原子与周围的4个硅原子形成共价键，由于形成晶体需要四个价电子，所以每加入一个3价原子就会产生一个空穴，即p型半导体中空穴为多数载流子。

（3）n型硅：在本征硅中掺杂5价元素（施主原子），5价元素的原子只有五个价电子，每个5价原子与周围的4个硅原子形成共价键，由于形成晶体只需要四个价电子，所以每加入一个5价原子就会多出一个自由电子，即n型半导体中自由电子为多数载流子。

（4）PN结：在一块本征硅的一般形成n型半导体，另一半形成p型半导体，则在交接面处会形成pn结，pn结形成了基本的二极管，二极管是一种只允许电流超一个方向流动的器件。

（5）耗尽区：当pn结形成后，pn结附近n型区内的自由电子漂移到p区并与p区的空穴复合，这会在n区留下一个仅含正电荷的5价原子；同理，当电子与p区的一个空穴复合，会在p区产生一个带净负电荷的3价原子，综上，如图所示，在pn结的p区会有负离子，n区会有正离子，正负离子组成的区域称为耗尽区，在耗尽区处存在势垒电压（Vb），硅的势垒电压为0.7V，锗的势垒电压为0.3V：

为了扩散到p区，n区的导带电子必须克服正离子的吸引力和负离子的排斥力，在例子层形成后，结两边的自由电子和空穴急剧减少（随着自由电子和空穴的复合，产生的正负离子的数量会急剧增加，相应的吸引力与排斥力也会不断增加！）故这一区域被称为耗尽区。电荷穿过交界处的任何运动都要克服势垒电压。

3. 半导体二极管的偏置

（1）偏置：给半导体器件外加固定直流电压的工作条件

（2）正向偏置的电源接法：电源的负极接到n区，电源的正极接到p区。当二极管正向偏置时，二极管的阳极（发射电子端）电位比其阴极（接收电子端）电位高。

（3）正向偏置的工作原理（电路接通）：

当一个直流电源正向偏置二极管时，由于静电排斥，电源的负极会推动n区的负电子向pn结移动，电源的正极则会推动p区的空穴向pn结移动（空穴不会移动，本质上是p区的少数自由电子被吸引向电源的正极移动）正向偏置的工作原理从p/n两个区域进行分开讨论：

• 对于n区：当外加电压可以克服耗尽区的势垒电压时，n区的自由电子穿过pn结进入p区与p区的空穴复合，当n区的电子离开时，电源负极会源源不断的为n区提供电子，因此，n区的多数载流子（自由电子）向p区移动本质上形成了流向n区的电流（电流的方向为电子移动方向的反方向）

• 对于p区：当自由电子与p区的空穴复合后变为价电子，价电子在电源正极的吸引下不断的从远离电源的空穴跳到靠近电源的空穴，反应为p区多数载流子空穴向n区移动，即产生向n区流动的电流（空穴为丢失电子产生的，所以可以视为带正电，所以空穴的移动方向可看作正电荷的移动方向，即电流的移动方向）。

综上，在正向偏置的情况下，电路接通，二极管内部电流从p区流向n区，整体电路电流由正极流向负极。

（4）反向偏置的电源接法：电源的负极接到p区，电源的正极接到n区。当二极管正向偏置时，二极管的阳极（发射电子端）电位比其阴极（接收电子端）电位低。

（5）反向偏置的工作原理（电路截止）：

当直流电源反向偏置时，电源负极吸引p区的空穴远离pn结（本质是排斥电子向pn结移动），同样的电源的正极会吸引n区的自由电子远离pn结，这样一来，pn结附近的正负离子数量会不断增加，这会导致耗尽区越来越大，势垒电压越来越大，当势垒电压等于外部偏置电压时，耗尽区的宽度不会增加，如下图b。耗尽区实际上可以看作位于正负离子层之间的一个绝缘体。

 

下面介绍二极管反向击穿时的两个重要参数：

• 峰值反向电压（PIV）：二极管反向偏置时必须承受的加在其两端的最大外部反向偏置电压，否则会被击穿（PIV一般高于反向偏置电压）

• 反向击穿的产生：当外部反向偏置电压增大到足够大时会发生雪崩击穿，即少数导带电子从电源处获得足够大的能量从而加速向二极管p区移动，在它运动过程中它每碰撞一个原子并给予其足够的能量使一个价电子进入导带，这时就会有两个导带电子，这两个导带电子由继续碰撞其他原子生成四个导带电子，这种导带电子的倍增称为雪崩效应，导带电子的倍增会导致反向电流急剧增大，从而损坏二极管

二、单片机-点亮LED灯

1. 单片机的内部资源

单片机的内部资源共分三种，即程序存储空间（Flash）、数据存储空间（RAM）、特殊功能寄存器（SFR）。

（1）SFR：与早期使用的OTPROM（一次可编程只读存储器）不同，Flash作呕为新一代程序存储器，拥有可重复擦鞋且容量大、成本低的优点，最终要的是，其可以保证断电后数据不丢失。

（2）RAM：RAM是单片机的数据存储空间，用来存储程序运行过程中产生和需要的数据，断电后数据会丢失，但是读写速度快，理论上可以无限写入。

（3）SFR：SFR是特殊功能寄存器，单片机中每个功能都对应一个或多个SFR，用户就是通过不同的SFR来完成不同的功能的。

2. 单片机的最小系统

单片机的最小系统由电源、晶振和复位电路组成，以下图为参照，介绍这三大要素：

（1）电源：学习使用的STC89C52单片机需要5V的供电系统，供电电路在引脚40和引脚20的位置上，40引脚接的是+5V，通常称VCC或VDD，代表电源正极，20引脚接的是GND，代表电源的负极，在VCC和GND间还有一个电容。

（2）晶振：晶体振荡器，它为单片机系统提供基准始终信号，单片机内部所有工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的。STC89C52单片机的18、19引脚是晶振引脚，接了一个11.0592MHz的晶振和两个20pF的电容（帮助晶振起振，维持振荡信号）

（3）复位电路：复位电路接在带你路的9引脚（RST标识）上。单片机的复位包括三种：上电复位、手动复位和程序自动复位。

3. 点亮LED灯

（1）51单片机特有的两条指令：

• sfr P0 = 0x80：语句中，sfr是关键字，其作用是定义一个单片机特殊功能寄存器，51单片机内部有很多小的模块，每个模块都居住在拥有唯一房间号的房间内，每个模块有8个控制开关，以这条语句为例，P0就是一个功能模块，住在0x80房间内，开发者就是通过设置P0内部这8个开关来让这8个I/O接口输出高电平/低电平的，如果想使用必须提前进行sfr声明。

• sbit LED = P0 ^ 0;：sbit就是对SFR八个开关里面的其中一个进行定义，经过上述语句定义，以后只要在程序中些LED就代表P0.0口（P必须大写）

（2）程序编写

• 按如下新建工程Project，选择CPU为51Intel的80/87C52CPU（如果CPU选择栏为空白时需要自己在Keil官网自行下载！！！）：

 

今天就到这里啦，明天在继续学习！