本节书摘来自华章出版社《迷人的8051单片机》一书中的第2章，第2.1节，作者高显生，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。
第2章
神秘的半导体
大自然的鬼斧神工还创造了另外一种材料，它的导电特性介于导体和绝缘体之间，在一定的条件下它是导体，而在另一种条件下它又会变成绝缘体，因此称其为半导体。构成半导体最重要的两种元素是硅和锗。我们常听说的美国硅谷，就是因为那里有好多家半导体厂商而得名。使用半导体能制造出功能复杂的元器件和集成电路，以下我们要重点介绍使用半导体制造出来的革命性的元器件。
2.1 二极管
二极管应该算是半导体器件家族中的“元老”了。在20世纪六七十年代，人们热衷于装配一种矿石收音机来收听无线电广播，这种矿石收音机里的主要部件就是一个二极管。将一个小的方铅矿晶体放入一个大小合适的铅盒里，将引线分别从铅盒和方铅矿晶体的某一灵敏点引出，就构成了一个具有单向导电性的器件，其功能等效于一个检波二极管，矿石收音机也因此得名。二极管最明显的特性就是它的单向导电特性，它是一种只往一个方向传送电流的电子器件。按照制造材料的不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管两种。
2.1.1 二极管的原理
二极管内部由一块P型半导体和一块N型半导体紧密地结合在一起而构成，在P型半导体和N型半导体的交界面上形成一个特殊的分界面，这个分界面被称为PN结。PN结具有单向导电性，电流只能从P型半导体一端流向N型半导体一端，PN结的结构如图2-1所示。
在图2-1所示的结构上，将P型和N型半导体上各加上一根引线引出并封装起来，就构成一个二极管。与P型半导体连接的引线为正极，与N型半导体连接的引线为负极。二极管的实物如图2-2所示，每个二极管上有标注的一端为负极，在电路图中二极管的表示符号如图2-3所示。
2.1.2 二极管的功能
二极管具有单向导电性，主要用作整流（交流电变直流电）。二极管在电路中的整流作用原理如图2-4所示。我们已经知道，交流电电压的大小和方向是周期性变化的，图2-4中变压器的二次侧与二极管和电阻器相连接，当变压器的二次侧产生交流电压时，如果电压相对于二极管是正向电压，二极管导通，电路中有电流流过；当电压为负向时，二极管截止，电路中没有电流流过，即将电路中的电流方向变成了单向流动，交流电变成了脉动直流电。
另外，二极管在正向导通时，它的PN结间会有一个电压降，这个正向压降是稳定的，只与二极管的制造材料有关，通常硅二极管的正向压降为0.7V，锗二极管为0.3V，利用这一特性，可以将二极管作稳压或钳位使用。
2.1.3 发光二极管
发光二极管简称“LED”，它是半导体二极管的一种，是可以将电能转化成光能的二极管。从1960年人们发明了第一个发光二极管至今，二极管已经成为目前最重要的光源。从机场码头的电子屏幕，到宝马、奥迪汽车的日间行车灯，发光二极管以各种姿态和颜色出现在日常生活中，大有取代传统光源的趋势。
与普通二极管一样，发光二极管也是由一个PN结构成的，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，会发射出可见光，不同的半导体材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光，根据这一特性，可以将其用在电子设备中作为指示灯或显示用。发光二极管的实物如图2-5所示，在电路中的表示符号如图2-6所示。
2.1.4 稳压二极管
稳压二极管的原理与我们前面介绍的两类二极管有所不同，它是利用二极管的反向特性制成的。二极管的基本特性是单向导通，当对其施加正向电压时，二极管会导通，施加反向电压时则截止，但这里有一个前提，就是反向电压不能超过二极管PN结的反向耐压值。当电压超过二极管的反向耐压值后，二极管就会呈现出一种被击穿的状态，这时只要限制反向电流的大小，二极管虽然被击穿但不会被烧毁。二极管反向击穿后，在一定的击穿电流值范围内，其两端的电压值是恒定的。稳压二极管就是利用二极管的这一特性制成的，它在电路中的表示符号如图2-7所示。
图2-8所示的电路可以说明稳压二极管的原理。12V的供电电压由电压源V1提供，经R1限流后，施加到稳压二极管D1的两端，由于稳压二极管D1的反向耐压只有6.3V，所以D1击穿，击穿后电流趋于无限大，但由于限流电阻R1的限流作用，流过D1的电流会保持在一个固定的值，使D1不会过流而烧毁，这时D1会保持在这种反向击穿的状态，即使12V供电电压有上下波动，电路中A点的电压值也会始终保持在6.3V，这就是稳压二极管的稳压作用原理。
