模拟电子技术基础课后答案(完整版).pdf
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1、第三部分第三部分 习题与解答习题与解答习题习题 1 1客观检测题客观检测题一、填空题一、填空题1、在杂质半导体中,多数载流子的浓度主要取决于掺入的 杂质浓度,而少数载流子的浓度则与温度有很大关系。2、当 PN 结外加正向电压时,扩散电流大于漂移电流,耗尽层变窄。当外加反向电压时,扩散电流小于漂移电流,耗尽层变宽。3、在 N 型半导体中,电子为多数载流子,空穴为少数载流子。二判断题二判断题1、由于 P 型半导体中含有大量空穴载流子,N 型半导体中含有大量电子载流子,所以P 型半导体带正电,N 型半导体带负电。()2、在 N 型半导体中,掺入高浓度三价元素杂质,可以改为P 型半导体。()3、扩散电
2、流是由半导体的杂质浓度引起的,即杂质浓度大,扩散电流大;杂质浓度小,扩散电流小。()4、本征激发过程中,当激发与复合处于动态平衡时,两种作用相互抵消,激发与复合停止。()5、PN 结在无光照无外加电压时,结电流为零。()6、温度升高时,PN 结的反向饱和电流将减小。()7、PN 结加正向电压时,空间电荷区将变宽。()三简答题三简答题1、PN 结的伏安特性有何特点?V V答:根据统计物理理论分析,PN 结的伏安特性可用式I ID D I Is s(e eV VT T 1 1)表示。式中,ID为流过 PN 结的电流;Is为 PN 结的反向饱和电流,是一个与环境温度和材料等有关的参数,单位与 I 的
3、单位一致;V 为外加电压;VT=kT/q,为温度的电压当量(其单位与V的 单 位 一 致),其 中 玻 尔 兹 曼 常 数k k 1 1.3838 1010 2323J J/K K,电 子 电 量q q 1 1.6021773160217731 1010 1919C C(库伦库伦),则V VT T T T(V V),在常温(T=300K)下,VT=25.875mV=26mV。1159411594.2 2V VV VT T当外加正向电压,即V 为正值,且V 比 VT大几倍时,e e 1 1,于是I I I Is s e eV VV VT T,这时正向电流将随着正向电压的增加按指数规律增大,PN
4、结为正向导通状态.外加反向电压,即V 为负值,且|V|比 VT大几倍时,e eV VV VT T 1 1,于是I I I Is s,这时 PN 结只流过很小的反向饱和电流,且数值上基本不随外加电压而变,PN 结呈反向截止状态。PN 结的伏安特性也可用特性曲线表示,如图 1.1.1 所示.从式(1.1.1)伏安特性方程的分析和图 1.1.1 特性曲线(实线部分)可见:PN 结真有单向导电性和非线性的伏安特性。图 1.1.1 PN 伏安特性2、什么是 PN 结的反向击穿?PN 结的反向击穿有哪几种类型?各有何特点?答:“PN”结的反向击穿特性:当加在“PN”结上的反向偏压超过其设计的击穿电压后,P
5、N结发生击穿。PN 结的击穿主要有两类,齐纳击穿和雪崩击穿。齐纳击穿主要发生在两侧杂质浓度都较高的 PN 结,一般反向击穿电压小于4Eg/q(EgPN 结量子阱禁带能量,用电子伏特衡量,Eg/q 指 PN 结量子阱外加电压值,单位为伏特)的PN 的击穿模式就是齐纳击穿,击穿机理就是强电场把共价键中的电子拉出来参与导电,使的少子浓度增加,反向电流上升。雪崩击穿主要发生在“PN”结一侧或两侧的杂质浓度较低“PN”结,一般反向击穿电压高于6 Eg/q 的“PN”结的击穿模式为雪崩击穿。击穿机理就是强电场使载流子的运动速度加快,动能增大,撞击中型原子时把外层电子撞击出来,继而产生连锁反应,导致少数载流
6、子浓度升高,反向电流剧增。3、PN 结电容是怎样形成的?和普通电容相比有什么区别?PN 结电容由势垒电容 Cb和扩散电容 Cd组成。势垒电容 Cb是由空间电荷区引起的。空间电荷区内有不能移动的正负离子,各具有一定的电量。当外加反向电压变大时,空间电荷区变宽,存储的电荷量增加;当外加反向电压变小时,空间电荷区变窄,存储的电荷量减小,这样就形成了电容效应。“垫垒电容”大小随外加电压改变而变化,是一种非线性电容,而普通电容为线性电容。在实际应用中,常用微变电容作为参数,变容二极管就是势垒电容随外加电压变化比较显著的二极管。扩散电容Cd是载流子在扩散过程中的积累而引起的。PN 结加正向电压时,N 区的
7、电子向 P 区扩散,在 P 区形成一定的电子浓度(Np)分布,PN 结边缘处浓度大,离结远的地方浓度小,电子浓度按指数规律变化。当正向电压增加时,载流子积累增加了 Q;反之,则减小,图 1.3.3 P 区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累如图 1.3.3 所示。同理,在 N 区内空穴浓度随外加电压变化而变化 的关系与 P 区电子浓度的变化相同。因此,外加电压增加 V 时所出现的正负电荷积累变化 Q,可用扩散电容 Cd来模拟。Cd也是一种非线性的分布电容。综上可知,势垒电容和扩散电容是同时存在的。PN 结正偏时,扩散电容远大于势垒电容;PN 结反偏时,扩散电容远小于势垒电容。势垒电容和扩散电容的大
8、小都与 PN 结面积成正比。与普通电容相比,PN 结电容是非线性的分布电容,而普通电容为线性电容。习题习题 2 2客观检测题客观检测题一、填空题一、填空题1、半导体二极管当正偏时,势垒区变窄,扩散电流 大于漂移电流。2、在常温下,硅二极管的门限电压约0.6V,导通后在较大电流下的正向压降约 0.7V;锗二极管的门限电压约0.1V,导通后在较大电流下的正向压降约 0.2V。3、在常温下,发光二极管的正向导通电压约1.22V,高于硅二极管的门限电压;考虑发光二极管的发光亮度和寿命,其工作电流一般控制在 510mA。4、利用硅 PN 结在某种掺杂条件下反向击穿特性陡直的特点而制成的二极管,称为 普通
9、(稳压)二极管。请写出这种管子四种主要参数,分别是 最大整流电流、反向击穿电压、反向电流 和极间电容。二、判断题二、判断题1、二极管加正向电压时,其正向电流是由(a)。a.多数载流子扩散形成b.多数载流子漂移形成c.少数载流子漂移形成d.少数载流子扩散形成2、PN 结反向偏置电压的数值增大,但小于击穿电压,(c)。a.其反向电流增大b.其反向电流减小c.其反向电流基本不变d.其正向电流增大3、稳压二极管是利用 PN 结的(d)。a.单向导电性b.反偏截止特性c.电容特性d.反向击穿特性4、二极管的反向饱和电流在 20时是 5A,温度每升高 10,其反向饱和电流增大一倍,当温度为 40时,反向饱
10、和电流值为(c)。a.10Ab.15Ac.20Ad.40A5、变容二极管在电路中使用时,其PN 结是(b)。a.正向运用b.反向运用三、问答题三、问答题1、温度对二极管的正向特性影响小,对其反向特性影响大,这是为什么?答:正向偏置时,正向电流是多子扩散电流,温度对多子浓度几乎没有影响,因此温度对二极管的正向特性影响小。但是反向偏置时,反向电流是少子漂移电流,温度升高少数载流子数量将明显增加,反向电流急剧随之增加,因此温度对二极管的反向特性影响大。2、能否将 1.5V 的干电池以正向接法接到二极管两端?为什么?答:根据二极管电流的方程式I I I IS S e eqVqV/KTKT 1 1 将
11、V=1.5V 代入方程式可得:I I 2020 1010 1212 e e15001500/2626 1 1 2020 1010 1212 e e15001500/262615001500lg lg I I lg lg2020 1212 lg lge e 1414.34342626故I I 2 2.1818 10101414 A A 虽然二极管的内部体电阻、引线电阻及电池内阻都能起限流作用,但过大的电流定会烧坏二极管或是电池发热失效,因此应另外添加限流电阻。3、有 A、B 两个二极管。它们的反向饱和电流分别为5mA 和0.2A,在外加相同的正向电压时的电流分别为 20mA 和 8mA,你认为哪
12、一个管的性能较好?答:B 好,因为B 的单向导电性好;当反向偏置时,反向饱和电流很小,二极管相当于断路,其反向偏置电阻无穷大。4、利用硅二极管较陡峭的正向特性,能否实现稳压?若能,则二极管应如何偏置?答:能实现稳压,二极管应该正向偏置,硅二极管的正偏导通电压为 0.7V;因此硅二极管的正向特性,可以实现稳压,其稳压值为0.7V。5、什么是齐纳击穿?击穿后是否意味着PN 结损坏?答:齐纳击穿主要发生在两侧杂质浓度都较高的PN 结,其空间电荷区较窄,击穿电压较低(如5V 以下),一般反向击穿电压小于4Eg/q(EgPN 结量子阱禁带能量,用电子伏特衡量,Eg/q 指 PN 结量子阱外加电压值,单位
13、为伏特)的PN 的击穿模式就是齐纳击穿,击穿机理就是强电场把共价键中的电子拉出来参与导电,使的少子浓度增加,反向电流上升。发生齐纳击穿需要的电场强度很大,只有在杂质浓度特别大的PN 结才能达到。击穿后并不意味着 PN 结损坏,当加在稳压管上的反向电压降低以后,管子仍然可以恢复原来的状态。但是反向电流和反向电压的乘积超过PN 结容许的耗散功率时,就可能由电击穿变为热击穿,而造成永久性的破坏。电击穿PN 结未被损坏,但是热击穿 PN 结将永久损坏。主观检测题主观检测题2.1.1 试用电流方程式计算室温下正向电压为 0.26V 和反向电压为 1V 时的二极管电流。(设IS10A)解:由公式I ID
14、D I IS Se e qVqVD D/KTKT 1 1 I IS Se eV VD D/V/VT T 1 1 由于IS10A,VT=0.026V正向偏置 VD=0.26V 时I ID D I IS Se e V VD D/V/VT T 1 1 1010 e e0 0.2626/0 0.026026 1 1 1010 e e1010 1 1 220264220264 A A 0 0.2222A A 当反向偏置V VD D 1 1V V时I ID D I IS S 1010 A A2.1.2 写出题图 2.1.2 所示各电路的输出电压值,设二极管均为理想二极管。解:VO12V(二极管正向导通),
15、VO20(二极管反向截止),VO32V(二极管正向导通),VO42V(二极管反向截止),VO52V(二极管正向导通),VO62V(二极管反向截止)。题图 2.1.22.1.3 重复题 2.1.2,设二极管均为恒压降模型,且导通电压VD0.7V。解:UO11.3V(二极管正向导通),UO20(二极管反向截止),UO31.3V(二极管正向导通),UO42V(二极管反向截止),UO51.3V(二极管正向导通),UO62V(二极管反向截止)。2.1.4 设题图 2.1.4 中的二极管均为理想的(正向可视为短路,反向可视为开路),试判断其中的二极管是导通还是截止,并求出A、Q两端电压UAO。(a)(b)
16、题图 2.1.4(c)解:题图 2.1.4 所示的电路图中,图(a)所示电路,二极管D 导通,VAO=6V,图(b)所示电路,二极管 D1导通,D2截止,VAO=0V,图(c)所示电路,二极管D1导通,D2截止,VAO=0V。2.1.5 在用万用表的R10,R100和R1k三个欧姆档测量某二极管的正向电阻时,共测得三个数据;4k,85和680,试判断它们各是哪一档测出的。解:万用表测量电阻时,对应的测量电路和伏安特性如图2.1.5 所示,实际上是将流过电表的电流换算为电阻值,用指针的偏转表示在表盘上。当流过的电流大时,指示的电阻小。测量时,流过电表的电流由万用表的内阻和二极管的等效直流电阻值和
17、联合决定。通常万用表欧姆档的电池电压为Ei=1.5V,R R 1010 档时,表头指针的满量程为100A(测量电阻为 0,流经电阻Ri的电流为 10mA),万用表的内阻为R Ri i1010 150150;R R 100100 档时,万用表的内阻为R Ri i100100 1010R Ri i1010 15001500(测量电阻为 0,表头满量程时,流经 Ri的电流为 1mA);R R 1 1k k 档时(测量电阻为 0,表头满量程时,流经 Ri的电流为 0.1mA),万用表的内阻为R Ri i100100 100100R Ri i1010 1515k k;由图可得管子两端的电压V 和电流 I
18、 之间有如下关系:R R 1010 档时,内阻R Ri i1010 150150;V V1 1 1 1.5 5 I I1 1R Ri i1010 1 1.5 5 150150I I1 1R R 100100 档时,内阻R Ri i100100 15001500;V V2 2 1 1.5 5 I I2 2R Ri i100100 1 1.5 5 15001500I I2 2R R 1 1k k 档时,内阻R Ri i100100 1515k k;V V3 3 1 1.5 5 I I3 3R Ri i1 1k k 1 1.5 5 1500015000I I3 3从伏安特性图上可以看出,用R R 1
19、010 档测量时,万用表的直流负载线方程与二极管的特性曲线的交点为 A,万用表的读数为 V1/I1。用R R 100100 档测量时,万用表的直流负载线方程与二极管的特性曲线的交点为B,万用表的读数为 V2/I2。用R R 1 1k k 档测量时,万用表的直流负载线方程与二极管的特性曲线的交点为 C,万用表的读数为 V3/I3。由图中可以得出V V1 1V V2 2V V3 3 I I1 1I I2 2I I3 3所以,85为万用表R10档测出的;680为万用表R100档测出的;4k为万用表R1k档测出的。2.1.6 电路如题图 2.1.6 所示,已知vi6sint(v),试画出vi与 vo的
20、波形,并标出幅值。分别使用二极管理想模型和恒压降模型(VD0.7V)。6 6V V0 0.7 7V V0 0v vi i/V VV Vo o/V V2 t t6 6V V0 02 t t解:由题意可知:vi6sint(v)在 vi的正半周,二极管导通,电路的输出电压波形如图 2.1.6(a)、(b)所示。2.1.7 电路如题图 2.1.7 所示,已知 vi6sint(V),二极管导通电压 VD0.7V。试画出 vi与vO的波形,并标出幅值。题图 2.1.7图 2.1.7题图 2.1.6解:由题意vi6sint(V)波形如图 2.1.7 所示:当v vi i 3 3.7 7V V时,二极管 D1
21、导通,vo3.7V,当v vi i 3 3.7 7V V时,二极管 D2导通,vo3.7V,当 3 3.7 7V V v vi i 3 3.7 7V V时,二极管 D1、D2截止,vovi。2.2.1 现有两只稳压管,它们的稳定电压分别为5V 和 8V,正向导通电压为 0.7V。试问:(1)若将它们串联相接,则可得到几种稳压值?各为多少?(2)若将它们并联相接,则又可得到几种稳压值?各为多少?解:(1)两只稳压管串联时可得1.4V、5.7V、8.7V 和 13V 等四种稳压值。(2)两只稳压管并联时可得0.7V、5V 和 8V 等三种稳压值。2.2.2 已知稳压管的稳压值 VZ6V,稳定电流的
22、最小值 IZmin5mA。求题图 2.2.2 所示电路中VO1和 VO2各为多少伏。题图 2.2.2解:解:(1)当 VI10V 时,若 VO1VZ6V,则稳压管的电流为I IZ1 V VI V VZ1010 6 6 0 0.008008 A A 8 8mAmA I IZ Z minmin 5 5mAmA,R R1 1500500大于其最小稳定电流,所以稳压管击穿。故V Vo o1 1 6 6V V。(2)当 VI10V 时,若 VO2VZ6V,则稳压管的电流为I IZ2 V VI V VZ1010 6 6 0 0.002002 A A 2 2mAmA I IZ Z minmin 5 5mAm
23、A,R R2 220002000小于其最小稳定电流,所以稳压管未击穿。故V VO2 2.2.3 电路如题图 2.2.3(a)(b)所示,稳压管的稳定电压 VZ3V,R 的取值合适,vi的波形如图(c)所示。试分别画出 vO1和 vO2的波形。题图 2.2.3R RL20002000 V VI V V 5 5V。R R2 2 R RL20002000 20002000I解:解:波形如图 2.2.3 所示。题图 2.2.3 所示的电路中,对于图(a)所示的电路,当v vi i 3 3V V时,稳压管 DZ反向击穿,vovi3V,当v vi i 3 3V V时,稳压管 DZ未击穿,vo0V。对于图
24、b 所示的电路,当v vi i 3 3V V时,稳压管 DZ反向击穿,voVZ,当v vi i 3 3V V时,稳压管 DZ未击穿,vovi。题图 2.2.4图 2.2.32.2.4 已知题图 2.2.4 所示电路中稳压管的稳定电压VZ6V,最小稳定电流 IZmin5mA,最大稳定电流 IZmax25mA。(1)分别计算 vi为 10V、15V、35V 三种情况下输出电压 vO的值;(2)若 vi35V 时负载开路,则会出现什么现象?为什么?解:(1)当 vi10V 时,若 vOVZ6V,则稳压管的电流为 4mA,小于其最小稳定电流,所以稳压管未击穿。故v vo R RL v vi i 3 3
25、.3333VR R R RL当 vi15V 时,稳压管中的电流大于最小稳定电流IZmin,所以vOVZ6V同理,当 vi35V 时,vOVZ6V。(2)I IDZ (v vi V VZ)R R 29mAIZM25mA,稳压管将因功耗过大而损坏。2.2.5 电路如题图 2.2.5 所示,设所有稳压管均为硅管(正向导通电压为VD0.7V),且稳定电压 VZ8V,已知 vi15sint(V),试画出 vO1和 vO2的波形。解:题图 2.2.5 所示的电路图中,对于图(a),当v vi i V VZ Z 8 8V V时,稳压管 DZ反向击穿,vo8V;当v vi i V VD D 0 0.7 7V
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