北京交通大學(xué)模擬電子技術(shù)習(xí)題及解答第二章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路.doc

第二章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路2-1填空 （1）N型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入 ；P型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入 。（2）當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的反向飽和電流會(huì) 。（3）PN結(jié)的結(jié)電容包括 和 。 （4）晶體管的三個(gè)工作區(qū)分別是 、 和 。在放大電路中，晶體管通常工作在 區(qū)。（5）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)，其柵-源間所加電壓應(yīng)該 。（正偏、反偏）答案：（1）五價(jià)元素；三價(jià)元素；（2）增大；（3）勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容；（4）放大區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū)；放大區(qū)；（5）反偏。2-2判斷下列說(shuō)法正確與否。（1）本征半導(dǎo)體溫度升高后，兩種載流子濃度仍然相等。（ ）（2）P型半導(dǎo)體帶正電，N型半導(dǎo)體帶負(fù)電。（ ）（3）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管外加的柵-源電壓應(yīng)使柵-源間的耗盡層承受反向電壓，才能保證RGS大的特點(diǎn)。（ ）（4）只要在穩(wěn)壓管兩端加反向電壓就能起穩(wěn)壓作用。（ ）（5）晶體管工作在飽和狀態(tài)時(shí)發(fā)射極沒(méi)有電流流過(guò)。（ ）（6）在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價(jià)元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體。（ ） （7）PN結(jié)在無(wú)光照、無(wú)外加電壓時(shí)，結(jié)電流為零。（ ）（8）若耗盡型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管的UGS大于零，則其輸入電阻會(huì)明顯減小。（）答案：（1）對(duì)；溫度升高后，載流子濃度會(huì)增加，但是對(duì)于本征半導(dǎo)體來(lái)講，電子和空穴的數(shù)量始終是相等的。（2）錯(cuò)；對(duì)于P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體在沒(méi)有形成PN結(jié)時(shí)，處于電中性的狀態(tài)。（3）對(duì)；結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在柵源之間沒(méi)有絕緣層，所以外加的柵-源電壓應(yīng)使柵-源間的耗盡層承受反向電壓，才能保證RGS大的特點(diǎn)。（4）錯(cuò)；穩(wěn)壓管要進(jìn)入穩(wěn)壓工作狀態(tài)兩端加反向電壓必須達(dá)到穩(wěn)壓值。（5）錯(cuò)；晶體管工作在飽和狀態(tài)和放大狀態(tài)時(shí)發(fā)射極有電流流過(guò)，只有在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)。（6）對(duì)； N型半導(dǎo)體中摻入足夠量的三價(jià)元素，不但可復(fù)合原先摻入的五價(jià)元素，而且可使空穴成為多數(shù)載流子，從而形成P型半導(dǎo)體。 （7）對(duì)；PN結(jié)在無(wú)光照、無(wú)外加電壓時(shí)，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，擴(kuò)散電流和漂移電流相等。（8）錯(cuò)。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管因?yàn)闁旁撮g和柵漏之間有SiO2絕緣層而使柵源間電阻非常大。因此耗盡型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管的UGS大于零，有絕緣層故而不影響輸入電阻。2-3為什么說(shuō)在使用二極管時(shí)，應(yīng)特別注意不要超過(guò)最大整流電流和最高反向工作電壓？ 答：當(dāng)正向電流超過(guò)最大整流電流會(huì)使二極管結(jié)溫過(guò)高，性能變壞，甚至?xí)龤ФO管；當(dāng)反向工作電壓超過(guò)最高反向工作電壓時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿。2-4當(dāng)直流電源電壓波動(dòng)或外接負(fù)載電阻RL變動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電壓能否保持穩(wěn)定？若能穩(wěn)定，這種穩(wěn)定是否是絕對(duì)的？答：能穩(wěn)定，但不是絕對(duì)的，超出一定范圍時(shí)，不能夠再穩(wěn)定。2-5既然三極管具有兩個(gè)PN結(jié)，可否用兩個(gè)二極管相連以構(gòu)成一只三極管，說(shuō)明理由。答：不能。因?yàn)槿龢O管中的兩個(gè)PN結(jié)是相互有關(guān)聯(lián)的。2-6三極管的電流放大系數(shù)、是如何定義的？能否從共射極輸出特性曲線上求得？在整個(gè)輸出特性，取值是否均勻一致？答：共基極電流放大系數(shù)；：共射極電流放大系數(shù)；根據(jù)的定義，可以在共射極輸出特性曲線上求出，在整個(gè)輸出特性曲線上，的取值并不均勻一致，只有在放大區(qū)內(nèi)，取值才為一致的。2-7一只NPN型三極管，能否將e和c兩電極交換使用？為什么？答：不能，因?yàn)槿龢O管中兩個(gè)PN結(jié)并不對(duì)稱(chēng)。 2-8怎樣用萬(wàn)用表判斷二極管的正、負(fù)極性及好壞？答：可以利用萬(wàn)用表的電阻擋測(cè)量二極管兩端電阻，正向時(shí)電阻很小，反向時(shí)電阻很大。2-9場(chǎng)效應(yīng)管與雙極性三極管比較，有什么特點(diǎn)？答：1）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件，柵極基本不取電流，輸入電阻高；2）場(chǎng)效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而晶體管兩種載流子均參與導(dǎo)電，因而場(chǎng)效應(yīng)管受溫度、輻射的影響較?。?）場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很??；4）場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，而晶體管一般情況下集電極和發(fā)射極不能互換使用；5）場(chǎng)效應(yīng)管的種類(lèi)比晶體管種類(lèi)多，故使用更加靈活；6）場(chǎng)效應(yīng)管集成工藝更簡(jiǎn)單、功耗更低、工作電源電壓范圍寬。2-10二極管電路如題2-10圖所示，試判斷圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止？輸出電壓為多少？ 本題可以通過(guò)二極管端電壓的極性判斷其工作狀態(tài)。一般方法是斷開(kāi)二極管，并以它的兩個(gè)極作為端口，利用戴維南定理求解端口電壓，若該電壓是二極管正偏，則導(dǎo)通，若反偏則截止。（a）圖將二極管斷開(kāi)，從二極管的兩個(gè)極為端口向外看，如題2-1解（a）圖所示，則A-B間電壓為12-6=6V，二極管處于正偏，導(dǎo)通。（b）圖將二極管斷開(kāi)，從二極管的兩個(gè)極為端口向外看，如題2-1解（b）圖所示，則A-B間電壓為3-2=1V，二極管處于正偏，導(dǎo)通。（c）當(dāng)有兩只二極管時(shí)，應(yīng)用以上方法分別判斷每只管子的狀態(tài)。如題2-1解（c）圖所示首先斷開(kāi)上面二極管D1，則下面二極管D2截止，所以D1兩端電壓為正偏導(dǎo)通；然后再斷開(kāi)下面二極管D2，如題2-1解（d）圖則D1兩端電壓為正偏導(dǎo)通，則D2兩端電壓為負(fù)截止，綜上所述，D1導(dǎo)通、D2截止。（d）根據(jù)前面分析方法，可知D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通。2-11電路如題2-11圖所示，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=8V，設(shè)輸入信號(hào)為峰值15V三角波，試畫(huà)出輸出uo的波形。解：如圖所示。三角波正半周時(shí)，當(dāng)電壓幅值小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管截止，當(dāng)?shù)扔诖笥诜€(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿，輸出電壓為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值；三角波負(fù)半周時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)?，假設(shè)正向電阻為0，則輸出電壓為零。2-12如題2-12圖所示，電路中兩只穩(wěn)壓管完全相同，UZ=8V，試畫(huà)出輸出uo的波形。解：如圖所示。三角波正半周時(shí)，當(dāng)電壓幅值小于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時(shí)，下面一只穩(wěn)壓管截止，當(dāng)?shù)扔诖笥诜€(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿，輸出電壓為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值；三角波負(fù)半周時(shí)，上面一只穩(wěn)壓管截止，當(dāng)?shù)扔诖笥诜€(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管反向擊穿，輸出電壓為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值。 2-13測(cè)得放大電路中三只晶體管三個(gè)電極的直流電位如題2-13圖所示。試分別判斷它們的管型（NPN、PNP）、管腳以及所用材料（硅或鍺）。解：本題考查是否掌握通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法判斷管型和管腳的方法。在實(shí)驗(yàn)室中，常常通過(guò)對(duì)電路中晶體管各管腳電位的測(cè)試來(lái)判斷晶體管的類(lèi)型、材料及其工作狀態(tài)。NPN型管和PNP型管工作在放大狀態(tài)時(shí)，電位滿(mǎn)足如下關(guān)系：硅管導(dǎo)通時(shí)UBE大約為0.7V，鍺管導(dǎo)通時(shí)UBE大約為0.3V。根據(jù)上圖，T1管有兩個(gè)極的電位相差0.7V，所以T1應(yīng)為硅管，而T2和T3管均有兩個(gè)極電位相差為0.3V，所以T2和T3管為鍺管。因?yàn)門(mén)1管另一個(gè)極電位最高，為集電極，可判斷為NPN型管；T2和T3管另一個(gè)極電位最低，為集電極，所以為PNP型管。2-14電路及二極管伏安特性如圖所示，常溫下UT26mV，電容C對(duì)交流信號(hào)可視為短路，ui為正弦波，有效值為10mV，問(wèn)（1）二極管在輸入電壓為零時(shí)的電流和電壓各為多少？（2）二極管中流過(guò)的交流電流有效值為多少？ 解：在分析這類(lèi)電路時(shí)，應(yīng)首先分析靜態(tài)電流和電壓，即靜態(tài)工作點(diǎn)Q，然后求出在Q點(diǎn)下的動(dòng)態(tài)電阻，再分析動(dòng)態(tài)信號(hào)的作用。（1）利用圖解法可以方便地求出二極管的Q點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)信號(hào)為零時(shí)，二極管導(dǎo)通，電阻R中電流與二極管電流相等。因此，二極管的端電壓可寫(xiě)為，在二極管的伏安特性坐標(biāo)系中作直線，與伏安特性曲線的交點(diǎn)就是Q點(diǎn)，如圖所示。讀出Q點(diǎn)的坐標(biāo)值，即為二極管的直流電流和電壓，約為（2）根據(jù)二極管動(dòng)態(tài)電阻的定義，Q點(diǎn)小信號(hào)情況下的動(dòng)態(tài)電阻為根據(jù)已知條件，二極管上的交流電壓有效值為10mV，故流過(guò)的交流電流有效值為 2-15測(cè)得某放大電路中五只場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極電位分別如表所示，閾值電壓也在表中給出。試分析分別是何種場(chǎng)效應(yīng)管，并將其工作狀態(tài)也填入表中。題2-15表序號(hào)UGS（th）/UGS（off）US/VUG/VUD/V管型工作狀態(tài)結(jié)型 T1313-10結(jié)型 T2-33-110MOS T3-450-5MOS T44-23-1.2MOS T5-30010解：本題考查是否能夠通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管各極的電位來(lái)判斷管型及工作狀態(tài)。由于T1管為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，且UGS（off）=3V0，所以為P溝道管，由于UGD= UG UD=13V UGS（off），故管子工作在恒流區(qū)；由于T2管為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，且UGS（off）=-3V 0，所以為N溝道管，由于UGS= UG US=-4V UGS（off），故管子截止；T3管為MOS管，由于UGS（th）=-4V0且UDS= UD US=-10V0，所以是P溝道增強(qiáng)型MOS管，由于UGS= UG US=-5V0且UDS= UD US=0.8V0，所以是N溝道增強(qiáng)型MOS管，由于UGD= UG UD=4.2V UGS（th），工作在可變電阻區(qū)。T5管為MOS管，由于UGS（off）=-3V0，所以是N溝道耗盡型MOS管，由于UGD= UG UD=-10V UGS（off），工作在恒流區(qū)。將以上分析結(jié)果填入表中，得到序號(hào)UGS（th）/UGS（off）US/VUG/VUD/V管型工作狀態(tài)結(jié)型 T1313-10P溝道恒流區(qū)結(jié)型 T2-33-110N溝道截止MOS T3-450-5P溝道增強(qiáng)型恒流區(qū)MOS T44-23-1.2N溝道增強(qiáng)型可變電阻區(qū)MOS T5-30010N溝道耗盡型恒流區(qū)2-16測(cè)得某晶體管的電流IE=2mA，IB=50A，ICBO=1A，試求、及ICEO。解：，而則2-17某放大電路中雙極型晶體管3個(gè)電極的電流如題2-17圖所示。已測(cè)出。試分析A，B，C中哪個(gè)是基極、發(fā)射極？該管的為多大？題2-17圖解：由于，所以A為集電極，B為基極，C為發(fā)射極。2-18一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如題2-18圖所示。試問(wèn)：（1）它是N溝道還是P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管？（2）它的夾斷電壓UGS（off）和飽和漏電流各是多少？題2-18圖 解：為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，如圖所示夾斷電壓UGS（off）=-4V，飽和漏電流=3mA。2-191個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性如題2-19圖所示（其中漏電流的方向是它的實(shí)際方向），試問(wèn)：（1）是耗盡型還是增強(qiáng)型？（2）是N溝道還是P溝道？（3）從這個(gè)轉(zhuǎn)移特性曲線上可求出該場(chǎng)效應(yīng)管的什么參數(shù)？其值是多大？題2-19圖解：為P溝道增強(qiáng)型MOS管，可求出UGS（th）UGS（th）=-4V2-20電路如題2-20圖所示，管子T的輸出特性曲線如圖所示，Rd=5k，試分析輸入uI為0、8、10V三種情況下，uO分別是多少？解：（1）當(dāng)uI=0，即uGS=0，管子處于夾斷狀態(tài)，所以iD=0，則uO=uDS=VDD- iDRD=15V。 （2）當(dāng)uI=8V，即uGS=8V，從輸出特性可知，管子工作在恒流區(qū)，且iD=1mA，則 uO=uDS=VDD- iDRD=15-5