第1章__半导体二极管和其应用习题解答xx.pdf

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1、第第 1 1 章章半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路1.1 教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表 1.1 所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子的浓度与温度的关系以及 PN 结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应用。表表 1.11.1 第第 1 1 章教学内容与要求章教学内容与要求教学内容本征半导体，杂质半导体形成半导体基础知识PN 结单向导电性伏安特性电容效应结构与类型伏安特性与主要参数半导体二极管型号与选择模型应用（限幅、整流）稳压二极管（稳压原理与稳压电路）特殊二极管发光二极管、光电二极

2、管、变容二极管析条件及稳压电路分熟练掌握教学要求重点与难点正确理解一般了解重点：PN 结的单向导电性难点：PN 结的形成重点：二极管应用电路分析难点：二极管各模型的特点及选择各种模型的条件重点：稳压管稳压1.2 内容提要1.2.1 半导体的基础知识1 1本征半导体本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度基本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很

3、差，2 2杂质半导体杂质半导体(1)N 型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成 N 型半导体，N 型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴。N 型半导体呈电中性。(2)P 型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P 型半导体。P 型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P 型半导体呈电中性。在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓度越大。1.2.2PN 结及其特性1PN 结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N 型半导体，另一边形成 P 型半1导体，在 P 型区和 N

4、 型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN 结。PN 结是构成其它半导体器件的基础。2PN 结的单向导电性PN 结具有单向导电性。外加正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN 结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN 结几乎截止。3.PN 结的伏安特性PN 结的伏安特性：I IS(eU UT1)式中，U 的参考方向为 P 区正，N 区负，I 的参考方向为从P 区指向 N 区；IS在数值上等于反向饱和电流；UT=KT/q，为温度电压当量，在常温下，UT26mV。(1)正向特性U 0的部分称为正向特性，如满足UUT，则I ISe正向

5、电流 I 随正向电压 U 按指数规律变化。(2)反向特性U 0的部分称为反向特性，如满足U UT，则I IS，反向电流与反向电压的大小基本无关。(3)击穿特性当加到 PN 结上的反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为 PN 结反向击穿，击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。4.PN 结的电容效应PN 结的结电容 CJ由势垒电容 CB和扩散电容 CD组成。CB和 CD都很小，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。当 PN 结正向偏置时，扩散电容 CD起主要作用，当 PN 结反向偏置时，势垒电容CB起主要作用。U UT，PN 结的1.2.3半导体二极管1.半导体二极管的结构和

6、类型半导体二极管是由 PN 结加上电极引线和管壳组成。二极管种类很多，按材料来分，有硅管和锗管两种；按结构形式来分，有点接触型、面接触型和硅平面型几种。2.半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性是指二极管两端的电压 uD和流过二极管的电流 iD之间的关系。它的伏安特性与PN 结的伏安特性基本相同，但又有一定的差别。在近似分析时，可采用 PN 结的伏安特性来描述二极管的伏安特性。3.温度对二极管伏安特性的影响o温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高 1 C，PN 结的正向压降约减小（22.5）mV。o二极管的反向特性曲线随温度的升高将向下移动。当温度每升高10 C 左右时，反向

7、饱和电流将加倍。4.半导体二极管的主要参数二极管的主要参数有：最大整流电流IF；最高反向工作电压UR；反向电流IR；最高工作频率 fM等。由于制造工艺所限，即使同一型号的管子，参数也存在一定的分散性，因此手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。5.半导体二极管的模型常用的二极管模型有以下几种：2(1)理想模型:理想二极管相当于一个开关。当外加正向电压时，二极管导通，正向压降 uD为零，相当于开关闭合；当外加反向电压时，二极管截止，反向电流iR为零，相当于开关断开。(2)恒压源模型:当二极管外加正向电压等于或大于导通电压 Uon时，二极管导通，二极管两端电压降为 Uon；当外加电压小于 U

8、on时，二极管截止，反向电流为零。(3)折线模型:当二极管外加正向电压大于Uon后其电流 iD与电压 uD成线性关系，直线斜率为 1/rD；当二极管外加正向电压小于Uon时，二极管截止，反向电流为零。(4)微变信号模型:如果在二极管电路中，除直流信号外，还有微变信号，则对微变信号可将二极管等效成一个电阻rd，其值与静态工作点有关，即rdUT/IDQ。6半导体二极管的应用(1)限幅：利用二极管的单向导电性将输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。(2)整流：正弦交流电压变换为单向脉动电压。1.2.3

9、特殊二极管1稳压二极管(1)稳压原理稳压管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管。利用 PN 结的反向击穿特性来实现稳定电压的，正常使用时工作在反向击穿状态。当反向电压达到击穿电压UZ后，流过管子的反向电流会急剧增加，即使通过稳压管的反向电流在较大范围内变化，管子两端的反向击穿电压几乎不变，表现出很好的稳压特性。(2)主要参数稳压管的主要参数有：稳定电压 UZ，稳定电流 IZ，最大耗散功率 PCM和最大工作电流IZmax，动态电阻 rz和稳定电压的温度系数 。(3)稳压电路稳压管正常稳压必须满足两个条件：一是必须工作在反向击穿状态（利用正向特性稳压除外）；二是流过稳压管的电流要在最小稳定电流IZ

10、min和最大稳定电流 IZmax之间。2.其它特殊二极管发光二极管：通以电流时，能发出光来。光电二极管：将光能转换成电能，它的反向电流与光照强度成正比。变容二极管：结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。自测题自测题1.11.1判断下列说法是否正确，用“”和“判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判断结果填入空内”表示判断结果填入空内1.半导体中的空穴是带正电的离子。（）2.温度升高后，本征半导体内自由电子和空穴数目都增多，且增量相等。（）3.因为 P 型半导体的多子是空穴，所以它带正电。（）4.在 N 型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为 P 型半导体。（）5.PN 结的单向导电性

11、只有在外加电压时才能体现出来。（）【解 1.1】：1.2.3.4.5.31.21.2选择填空选择填空1.N 型半导体中多数载流子是A；P 型半导体中多数载流子是B。A自由电子B空穴2.N 型半导体C；P 型半导体C。A带正电B带负电C呈电中性3.在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于B，而少子的浓度则受A的影响很大。A温度B掺杂浓度C掺杂工艺D晶体缺陷4.PN 结中扩散电流方向是A；漂移电流方向是B。A从 P 区到 N 区B从 N 区到 P 区5.当 PN 结未加外部电压时，扩散电流C飘移电流。A大于B小于C等于6.当 PN 结外加正向电压时，扩散电流A漂移电流，耗尽层E；当 PN 结外加反向电

12、压时，扩散电流B漂移电流，耗尽层D。A大于B小于C等于D变宽E变窄F不变7.二极管的正向电阻B，反向电阻A。A大B小8.当温度升高时，二极管的正向电压B，反向电流A。A增大B减小C基本不变9.稳压管的稳压区是其工作在C状态。A正向导通B反向截止C反向击穿【解 1.2】：1.A、B2.C、C3.B、A4.A、B5.C6.A、E、B、D7.B、A8.B、A9.C1.3有 A、B、C 三个二极管，测得它们的反向电流分别是 2A、0.5A、5A；在外加相同的正向电压时，电流分别为 10mA、30mA、15mA。比较而言，哪个管子的性能最好？【解 1.3】：二极管在外加相同的正向电压下电流越大，其正向电

13、阻越小；反向电流越小，其单向导电性越好。所以 B 管的性能最好。1.4试求图 T1.4 所示各电路的输出电压值 UO，设二极管的性能理想。VD+5V3kUO5V3k+VDUO7VVD5V3k1V+UO（a）（b）（c）VD1VD2+VD1VD2+3kUO9V5V3kUOVD2k10V6V.7V3k5VUO_（d）（e）（f）图 T1.4【解 1.4】：二极管电路，通过比较二极管两个电极的电位高低判断二极管工作在导通还是截止状态。方法是先假设二极管断开，求出二极管阳极和阴极电位，4电路中只有一个二极管：若阳极电位高于阴极电位（或二极管两端电压大于其导通电压 Uon），二极管正偏导通，导通时压降为

14、 0（对于理想二极管）或 Uon（对于恒压源模型的二极管）；若阳极电位低于阴极电位（或二极管两端电压小于其导通电压 Uon），二极管反偏截止，流过二极管的电流为零。如果电路中有两个二极管：若一个正偏，一个反偏，则正偏的导通，反偏的截止；若两个都反偏，则都截止；若两个都正偏，正偏电压大的优先导通，进而再判断另一只二极管的工作状态。图(a)二极管 VD 导通，UO=5V图(b)二极管 VD 导通，UO=7V图 二极管 VD 截止，UO=1V图(d)二极管 VD1导通，VD2截止，UO=0V图(e)二极管 VD1截止，VD2导通，UO=9V图(f)二极管 VD 导通，UO=0V1.5在图 T1.5

15、所示电路中，已知输入电压 ui=5sint（V），设二极管的导通电压 Uon=0.7V。分别画出它们的输出电压波形和传输特性曲线 uo=f（ui）。VD+ui+3k+uo+ui+VD+uo+ui3k+VD1VD2+uoUVD3kUVDUVD1UVD2+（a）（b）（c）图 T1.5【解 1.5】：在（a）图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压 UVD=ui。当 UVDUon，即ui0.7V 时，二极管导通，输出电压uo=ui0.7V；当UVDUon，即ui0.7V 时，二极管截止，输出电压uo=0。输出电压的波形如图解 T1.5（a）1 所示，传输特性如图解 T1.5（a）2 所示。在

16、（b）图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压 UVD=ui。当 UVDUon，即 ui0.7V 时，二极管导通，输出电压 uo=0.7V；当 UVDUon，即 ui0.7V 时，二极管截止，输出电压 uo=ui。输出电压的波形如图解 1.5T（b）1 所示，传输特性如图解 1.5T（b）2 所示。在（c）图所示电路中，当ui0.7V 时，二极管VD1导通，输出电压uo=0.7V；当ui0.7V 时，二极管VD2导通，输出电压 uo=0.7V；当0.7Vui0.7V 时，VD1、VD2都截止，输出电压 uo=ui。输出电压的波形如图解 1.5T（c）1 所示，传输特性如图解 1.5T（c

17、）2 所示。ui/V50.70ui/V50.70ui/V5tt0.70.7tuououo4.3t0.70t00.70.7t图解 T1.5（a）1图解 T1.5（b）1图解 T1.5（c）15uo/Vuo/Vuo/V4.300.7550.70.7550.750.70.70.75ui/Vui/Vui/V图解 T1.5（a）2图解 T1.5（b）2图解 T1.5（c）21.6有两个硅稳压管，VDZ1、VDZ2的稳定电压分别为 6V 和 8V，正向导通电压为 0.7V，稳定电流是5mA。求图 T1.6 各个电路的输出电压 UO。2k+VDz120VVDz2UO20VVDz2VDz1UO20VVDz2+

18、VDz1UO2k+2k（a）（b）（c）2k+VDz120VVDz2UO20VVDz1VDz2UO20V+VDz1VDz2UO2k+2k（d）（e）（f）图 T1.6【解 1.6】：图 aUO=6V+8V=14V；图 bUO=6V+0.7V=6.7V；图 cUO=0.7V+0.7V=1.4V；图 dUO=0.7V；图 eUO=0.7V；图 fUO=6V。1.7已知稳压管的稳定电压 UZ=6V，最小稳定电流 IZmin=5mA，最大功耗 PZM=150mW。试求图 T1.7 所示电路中限流电阻 R 的取值范围。【解 1.7】：由题可知稳压管的最大稳定电流IZmaxPZM150mA=25mAUZ6

19、UIUZ15V 6V，由此可RR流过稳压管的电流 IZ应满足：IZmin IZ IZmax，又因为：IZ得限流电阻 R 的取值范围：0.36kR1.8k1.8稳压管稳压电路如图 T1.8 所示，稳压管的稳定电压 UZ=8V，动态电阻 rz可以忽略，UI=20V。试求：UO、IO、I 及 IZ的值。当 UI降低为 15V 时的 UO、IO、I 及 IZ的值。IRR+UI=15V_VDZ+UO_R2kIZIO+RL2kUO_+UI_VDZ图 T1.7图 T1.8【解 1.8】：（1）由于RL2UI20V 10V 8V,稳压管处于稳压状态。故RL R226UOUZ 8VIOUO8mA 4mARL2I

20、 UIUO208mA 6mAR2IZ I IO(6 4)mA 2mA（2）由于RL2UI15V 7.5V 8V，稳压管没有击穿不能稳压，所以RL R22UO 7.5VI IO15mA 3.75mA22IZ=0习题1.1在图 P1.1 所示电路图中，试求下列几种情况下输出端Y 点的电位及流过各元件的电流。UA=UB=0V；UA=3V，UB=0V。设二极管的导通电压 Uon=0.7V。【解 1.1】：（1）二极管 VD1和 VD2均承受正向电压，且正向电压相等，都导通。所以输出端Y 点电位：UY=Uon=0.7V。流过二极管 VD1和 VD2的电流：IVD1 IVD21 10V 0.7V 4.65

21、mA21k（2）二极管 VD1和 VD2均承受正向电压，但 VD2承受的正向电压大，VD2优先导通。所以输出端Y 点电位：UY=Uon=0.7V。将 VD1钳制在截止状态。流过二极管 VD1的电流IVD1VD2的电流IVD2 0，流过二极管10V 0.7V 9.3mA1k1.2分析图 P1.2 所示电路中各二极管的工作状态，试求下列几种情况下输出端 Y 点的电位及流过各元件的电流。UA=UB=0V；UA=5V，UB=0V；UA=UB=5V。二极管的导通电压 Uon=0.7V。10VVD1AVD2BY1kVD1AVD2BY1k图 P1.1图 P1.2【解 1.2】：（1）二极管VD1和 VD2均

22、处于零偏状态，所以都截止。输出端Y 点电位：UY=0。流过二极管 VD1和 VD2的电流IVD1 IVD2 0。（2）二极管 VD1正偏导通，所以输出端 Y 点电位：UY=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。将VD2钳制在截止状态。流过二极管 VD1流过二极管 VD1和 VD2的电流IVD14.3V 4.3mA,流过二极管 VD2的电流1kIVD2 0。（3）二极管 VD1和 VD2均承受正向电压，且正向电压相等，都导通。所以输出端 Y 点电位：7UY=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。流过二极管 VD1和 VD2的电流IVD1 IVD21 4.3V 2.15mA。2 1k1.3在图

23、 P1.3 所示电路中，已知ui=10sint（V），二极管的性能理想。分别画出它们的输入、输出电压波形和传输特性曲线 uo=f（ui）。2k+ui5V_VD+uo+uiVD2VD13V_+uo2k+VD1ui5VVD23V+uo_2k（a）（b）（c）图 P1.3【解 1.3】：在（a）图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压 UVD=5Vui。当 UVD0，即 ui5V 时，二极管导通，输出电压 uo=5V；当 UVD0，即 ui5V 时，二极管截止，输出电压 uo=ui。输出电压的波形如图解 P1.3（a）1 所示，传输特性如图解 P13（a）2 所示。在（b）图所示电路中，当二极

24、管断开时，二极管 VD1两端的电压 UVD1=ui，VD2两端的电压 UVD2=ui3V。当 ui3V 时，VD2导通，输出电压 uo=3V；当 ui0 时，VD1导通，输出电压 uo=0；当 0ui3V 时，VD2、VD1都截止，输出电压 uo=ui。输出电压的波形如图解 P1.3（b）1 所示，传输特性如图解 P1.3（b）2 所示。在（b）图所示电路中，当二极管断开时，二极管VD1两端的电压 UVD1=5Vui，VD2两端的电压UVD2=ui3V。当 ui3V 时，VD2导通，输出电压 uo=3V；当 ui5V 时，VD1导通，输出电压 uo=5V；当5Vui3V 时，VD2、VD1都截

25、止，输出电压 uo=ui。输出电压的波形如图解 P1.3（c）1 所示，传输特性如图解 P1.3（c）2 所示ui/V1050t30.7tui/V10ui/V10305tuo/Vuo/Vuo/V1050t30305tt图解 P1.3（a）1图解 1.3P（b）1图解 P1.3（c）1uo/Vuo/Vuo/V105100510ui/V3010ui/V10 530 3510ui/V8图解 1.3（a）2图解 1.3（b）2图解 1.3（c）21.4图 P1.4 所示为一限幅电路，输入电压 ui=10sint（V），试画出输出电压的波形和传输特性曲线。设 VD1、VD2的性能均理想。VD1+ui_1

26、0kR12V20kR28V_VD2+uo+uii110kR12Vi220kR28V_+uoiD1VD1iD2VD2图 P1.4图解 P1.4(a)【解 1.4】：设流过 VD1、VD2、R1、R2的电流分别为 iD1、iD2、i1、i2，参考方向如图解 1.4P(a)所示。当 VD1、VD2均导通时iD2 i28ui8ui8ui2ui3u 12，iD1(i1iD2)(，由此可得，VD1导通的)iR2R120R220条件是：ui4V；VD2导通的条件是：ui8V。故 ui8V 时，VD1导通，VD2截止，输出电压 uo=8V；4Vui8V 时，VD1、VD2都导通，输出电压 uo=ui；ui4V

27、 时，VD1截止，VD2导通，输出电压uo8 210 2 4V。2010输出电压的波形如图解 P1.4(b）所示，传输特性如图解 P1.4(c)所示。ui/V10840tuo/Vuo840t108ui/V048 10图解 P1.4(b)图解 P1.4(c)1.5电路如图 P1.5 所示。输入电压ui=10sint（mV），二极管的导通电压Uon=0.7V，电容C 对交流信号的容抗可忽略不计。试计算输出电压的交流分量。C+ui10V_25R1VD5.1kR2+uo_+ui_R1rd5.1kR2+uo_25图 P1.5图解 P1.5【解 1.5】：只有直流电压作用时，电容C 开路，流过二极管的电流

28、为IDQ由此可估算出二极管 VD 的动态电阻为：rd100.7mA 1.8mA，5.126(mV)26 14.4IDQ(mA)1.8在进行交流分析时，令直流电压和电容短路，二极管用交流等效电阻 rd代替，此时，电路可等效为图解 P1.5。由图可求得输出电压的交流分量为9r Rr Rruo uid2/(R1d2)uid 3.65sint（mV）rd R2rd R2R1rd1.6图 P1.6 所示稳压管稳压电路中，稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大功耗PZM=125mW。限流电阻 R=1k，负载电阻 RL=500。分别计算输入电压 UI为 12V、35V 三种情况下输

29、出电压 Uo的值。若输入电压 UI=35V 时负载开路，则会出现什么现象？为什么？R+UI_VDZRL+UO_图 P1.6【解 1.6】：根据题意可知流过稳压管的最大稳定电流P125IZmaxZMmA 20.83mAUZ6当 UI12V 时，UIRL0.512V 4V UZ，稳压管未击穿。故R RL1 0.5UORLUI 4VR RLRL0.5 35V 11.67V UZ，稳压管反向击穿，流过稳压管的电流为R RL10.5当 UI35V 时，UIIZUIUZUO356617mARRL10.5因为IZmin IZ IZmax，所以稳压管能稳压，输出电压 UO=UZ=6V 当 UI=35V，负载开

30、路时，流过稳压管的电流IZ(UIUZ)R 29mAIZM20.83mA，稳压管将因功耗过大而损坏。1.7图 1.6 所示的稳压管稳压电路中，如果稳压管选用 2DW7B，已知其稳定电压 UZ=6V，最大稳定电流 IZmax=30mA，最小稳定电流 IZmin=10mA，限流电阻 R=200。假设负载电流 IL=15mA，则允许输入电压的变化范围为多大？才能保证稳压电路正常工作？假设给定输入直流电压 UI=13V，则允许负载电流 IL的变化范围为多大？如果负载电流也在一定范围变化，设 IL=1015mA，此时输入直流电压 UI的最大允许变化范围为多大？【解 1.7】：解：要保证电路正常工作，流过稳

31、压管的电流IZIZmin IZ IZmax，即10mA 同理，电路应满足10mA UIUZ IL应满足：RUI615 30mA，得允许输入电压的变化范围为11V UI15V。0.2136得允许负载电流的变化范围5mA IL 25mA。IL 30mA，0.2UImaxUZ ILmin IZ maxR 当负载电流最小(为 ILmin=10mA)，输入电压最大时，流过稳压管的电流最大，应满足得允许输入电压的最大值为：UImax14V当负载电流最大(为 ILmax=15mA)，输入电压最小时，流过稳压管的电流最小，应满足10UIminUZ ILmax IZ minR得允许输入电压的最小值为：UImin11V所以负载电流在 1015mA 范围内变化时，输入直流电压 Ui的最大允许变化范围为11V Ui14V11