半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用習(xí)題解答

1、精品第1章半導(dǎo)體二極管及其基本電路1.1 教學(xué)內(nèi)容與要求本章介紹了半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識、半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用和幾種特殊二極管。教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)要求如表1.1所示。要求正確理解雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的形成、載流子的濃度與溫度的關(guān)系以及PN結(jié)的形成過程。主要掌握半導(dǎo)體二極管在電路中的應(yīng)用。表1.1第1章教學(xué)內(nèi)容與要求教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求重點與難點半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體熟練掌握正確理解一般了解PN結(jié)形成V重點：PN結(jié)的單向?qū)щ娦噪y點：PN結(jié)的形成單向?qū)щ娦訴伏安特性V電容效應(yīng)V半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)與類型V重點：二極管應(yīng)用電路分析難點：二極管各模型的特點及選擇各種模型的條件伏安特性與主要參數(shù)V型號與選擇

2、V模型V應(yīng)用（限幅、整流）V特殊二極管穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓原理與穩(wěn)壓電路）V重點：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓條件及穩(wěn)壓電路分析發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管V1.2 內(nèi)容提要1.2.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1 .本征半導(dǎo)體高度提純、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體單晶體叫做本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材料是硅（Si）和錯（Ge）。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子和空穴。自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對，它們的濃度相等。本征半導(dǎo)體的載流子濃度受溫度的影響很大，隨著溫度的升高，載流子的濃度基本按指數(shù)規(guī)律增加。但本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很低，導(dǎo)電能力仍然很差，2 .雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) N型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中，摻入微量的五價元素構(gòu)

3、成N型半導(dǎo)體，N型半導(dǎo)體中的多子是自由電子，少子是空穴。N型半導(dǎo)體呈電中性。(2) P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中，摻入微量的三價元素構(gòu)成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中的多子是空穴，少子是自由電子。P型半導(dǎo)體呈電中性。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度主要取決于摻入雜質(zhì)的濃度，摻入雜質(zhì)越多，多子濃度就越大。而少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度主要取決于溫度，溫度越高，少子濃度越大。1.2.2PN結(jié)及其特性1. .PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體上，通過一定的工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，在P型區(qū)和N型區(qū)的交界處就會形成一個極薄的空間電荷層，稱為PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成其它半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

4、PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。外加正向電壓時，電阻很小，正向電流是多子的擴散電流，數(shù)值很大，PN結(jié)導(dǎo)通；外加反向電壓時，電阻很大，反向電流是少子的漂移電流，數(shù)值很小，PN結(jié)幾乎截止。3. PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性：IIs(eU/UT1)式中，U的參考方向為P區(qū)正，N區(qū)負，I的參考方向為從P區(qū)指向N區(qū)；Is在數(shù)值上等于反向飽和電流；UT=KT/q,為溫度電壓當(dāng)量，在常溫下，Ut及6mV。(1)正向特性U0的部分稱為正向特性，如滿足UUt,則IIseUUT,PN結(jié)的正向電流I隨正向電壓U按指數(shù)規(guī)律變化。(2)反向特性U0的部分稱為反向特性，如滿足UUt,則IIs,反向電流與反向電壓的大小基本無關(guān)。

5、(3) 擊穿特性當(dāng)加到PN結(jié)上的反向電壓超過一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿，擊穿按機理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。4. PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的結(jié)電容Cj由勢壘電容Cb和擴散電容Cd組成。Cb和Cd都很小，只有在信號頻率較高時才考慮結(jié)電容的作用。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時，擴散電容Cd起主要作用，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，勢壘電容CB起主要作用。1.2.3半導(dǎo)體二極管1. 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管是由PN結(jié)加上電極引線和管殼組成。二極管種類很多，按材料來分，有硅管和鍺管兩種；按結(jié)構(gòu)形式來分，有點接觸型、面接觸型和硅平面型幾種。2. 半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管

6、的伏安特性是指二極管兩端的電壓uD和流過二極管的電流iD之間的關(guān)系。它的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性基本相同，但又有一定的差別。在近似分析時，可采用PN結(jié)的伏安特性來描述二極管的伏安特性。3. 溫度對二極管伏安特性的影響溫度升高時，二極管的正向特性曲線將左移，溫度每升高1oC，PN結(jié)的正向壓降約減小(22.5)mV。二極管的反向特性曲線隨溫度的升高將向下移動。當(dāng)溫度每升高10oC左右時，反向飽和電流將加倍。4. 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)有：最大整流電流If;最高反向工作電壓Ur；反向電流Ir；最高工作頻率fM等。由于制造工藝所限，即使同一型號的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊

7、上往往給出的是參數(shù)的上限值、下限值或范圍。5. 半導(dǎo)體二極管的模型常用的二極管模型有以下幾種：(1) 理想模型:理想二極管相當(dāng)于一個開關(guān)。當(dāng)外加正向電壓時，二極管導(dǎo)通，正向壓降uD為零，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)外加反向電壓時，二極管截止，反向電流iR為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開。(2) 恒壓源模型:當(dāng)二極管外加正向電壓等于或大于導(dǎo)通電壓Uon時，二極管導(dǎo)通，二極管兩端電壓降為Uon；當(dāng)外加電壓小于Uon時，二極管截止，反向電流為零。(3)折線模型：當(dāng)二極管外加正向電壓大于Uon后其電流iD與電壓UD成線性關(guān)系，直線斜率為1/rD；當(dāng)二極管外加正向電壓小于Uon時，二極管截止，反向電流為零。(4)微變信號模型

8、:如果在二極管電路中，除直流信號外，還有微變信號，則對微變信號可將二極管等效成一個電阻rd,其值與靜態(tài)工作點有關(guān)，即rdUt/Idq。6半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用(1) 限幅：利用二極管的單向?qū)щ娦詫⑤敵鲂盘柗认薅ㄔ谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，亦即當(dāng)輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平(稱作限幅電平)，且再不隨輸入電壓變化。(2) 整流：正弦交流電壓變換為單向脈動電壓。1.2.3特殊二極管1 穩(wěn)壓二極管(1) 穩(wěn)壓原理感謝下載載穩(wěn)壓管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管。利用PN結(jié)的反向擊穿特性來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的，正常使用時工作在反向擊穿狀態(tài)。當(dāng)反向電壓達到擊穿電壓UZ 后，流過管子的反向電流

9、會急劇增加， 即使通過穩(wěn)壓管的反向電流在較大范圍內(nèi)變化，管子兩端的反向擊穿電壓幾乎不變，表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：穩(wěn)定電壓UZ ，穩(wěn)定電流IZ ，最大耗散功率PCM 和最大工作電流IZmax ，動態(tài)電阻rz 和穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)(3) 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓必須滿足兩個條件：是必須工作在反向擊穿狀態(tài)(利用正向特性穩(wěn)壓IZmax 之間。除外)；二是流過穩(wěn)壓管的電流要在最小穩(wěn)定電流IZmin和最大穩(wěn)定電流2 .其它特殊二極管發(fā)光二極管：通以電流時，能發(fā)出光來。光電二極管：將光能轉(zhuǎn)換成電能，它的反向電流與光照強度成正比。變?nèi)荻O管：結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。自測題1.1

10、判斷下列說法是否正確，用和“”表示判斷結(jié)果填入空內(nèi)1 .半導(dǎo)體中的空穴是帶正電的離子。（）2 .溫度升高后，本征半導(dǎo)體內(nèi)自由電子和空穴數(shù)目都增多，且增量相等。（）3 .因為P型半導(dǎo)體的多子是空穴，所以它帶正電。（）4 .在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體。（）5 .PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才能體現(xiàn)出來。（）1.2 選擇填空1 .N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是A;P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是B。A.自由電子B.空穴2 .N型半導(dǎo)體C;P型半導(dǎo)體CoA.帶正電B.帶負電C.呈電中性3 .在摻雜半導(dǎo)體中，多子的濃度主要取決于B,而少子的濃度則受A的影響很大。A.溫度B.摻

11、雜濃度C.摻雜工藝D.晶體缺陷4 .PN結(jié)中擴散電流方向是A;漂移電流方向是BoA.從P區(qū)到N區(qū)B.從N區(qū)到P區(qū)5 .當(dāng)PN結(jié)未加外部電壓時，擴散電流C飄移電流。A.大于B.小于C.等于6 .當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓時，擴散電流A漂移電流,耗盡層E;當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時,擴散電流B漂移電流，耗盡層DoA.大于B.小于C.等于D.變寬E.變窄F.不變7 .二極管的正向電阻B,反向電阻AoA.大B.小8 .當(dāng)溫度升高時，二極管的正向電壓B,反向電流AoA.增大B.減小C.基本不變9 .穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在C狀態(tài)。A.正向?qū)˙.反向截止C.反向擊穿1.3 有A、B、C三個二極管，測得它們的反向電

12、流分別是2A、0.5A、5A;在外加相同的正向電壓時，電流分別為10mA、30mA、15mA。比較而言，哪個管子的性能最好？1.4 試求圖T1.4所示各電路的輸出電壓值Uo,設(shè)二極管的性能理想。圖 T1.4(f)1.5 在圖T1.5所示電路中，已知輸入電壓ui=5sint(V),設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓Uon=0.7V。分別畫出它們的輸出電壓波形和傳輸特性曲線Uo=f(Ui)。VD+UUiVD3kQ(a)3kQVD1VD 2+1.6有兩個硅穩(wěn)壓管，VDzi、VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為 6V是5mAO求圖T1.6各個電路的輸出電壓(a)Uooui Uvdi5Z NXUVD2+(c)8V,正向?qū)妷簽?

13、0.7V,穩(wěn)定電流(d)(b)(e)+VDz1VD z220V本本Uo圖T1.61.7已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓試求圖T1.7所示電路中限流電阻Uz=6V ,最小穩(wěn)定電流Izmin =5mA , R的取值范圍。最大功耗PZM=150mW 。1.8 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖 T1.8所示，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 試求： Uo、Io、I及Iz的值。Uz=8V ,動態(tài)電阻rz可以忽略，Ui=20V 。IrUi2kQ Izj VDzZS2kRAUo圖 T1.8當(dāng)Ui降低為15V時的Uo、Io、I及Iz的值。Io【解1.1：1.X2.，3.X4,V5,V【解1.2】：1.A、B2.C、C3.B、A4.A、B5.C6.A、

14、E、B、D7.B、A8.B、A9.C【解1.3】：二極管在外加相同的正向電壓下電流越大，其正向電阻越??；反向電流越小，其單向?qū)щ娦栽胶谩Ｋ訠管的性能最好。【解1.4】：二極管電路，通過比較二極管兩個電極的電位高低判斷二極管工作在導(dǎo)通還是截止?fàn)顟B(tài)。方法是先假設(shè)二極管斷開，求出二極管陽極和陰極電位，電路中只有一個二極管：若陽極電位高于陰極電位（或二極管兩端電壓大于其導(dǎo)通電壓Uon），二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通時壓降為0（對于理想二極管）或Uon（對于恒壓源模型的二極管）；若陽極電位低于陰極電位（或二極管兩端電壓小于其導(dǎo)通電壓Uon），二極管反偏截止，流過二極管的電流為零。如果電路中有兩個二極管：若一個

15、正偏，一個反偏，則正偏的導(dǎo)通，反偏的截止；若兩個都反偏，則都截止；若兩個都正偏，正偏電壓大的優(yōu)先導(dǎo)通，進而再判斷另一只二極管的工作狀態(tài)。圖（a）二極管VD導(dǎo)通，Uo=5V圖（b）二極管VD導(dǎo)通，Uo=7V圖?二極管VD截止，UO=1V圖（d）二極管VDi導(dǎo)通，VD2截止,Uo=0V圖（e）二極管VDi截止，VD2導(dǎo)通，Uo=9V圖（f）二極管VD導(dǎo)通，UO=0V【解1.5：在（a）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開時，二極管兩端的電壓UVD=Ui。當(dāng)UvdUon,即ui0.7V時，二極管導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui0.7V；當(dāng)UVDUon，即ui0.7V時，二極管截止，輸出電壓uo=0。輸出電壓的波形如圖

16、解T1.5（a）1所示，傳輸特性如圖解T1.5（a）2所示。在（b）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開時，二極管兩端的電壓Uvd=w。當(dāng)UvdUon,即Ui0,7V時，二極管導(dǎo)通，輸出電壓Uo=0.7V;當(dāng)UvdUon,即Ui0,7V時，二極管截止，輸出電壓Uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解1.5T（b）1所示，傳輸特性如圖解1.5T（b）2所示。在（c）圖所示電路中，當(dāng)Ui0,7V時，二極管VD1導(dǎo)通，輸出電壓Uo=0.7V;當(dāng)Ui0,7V時，二極管VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo=0.7V;當(dāng)0.7VUi0,7V時，VD1、VD2都截止，輸出電壓Uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解1.5T（c）1所示，傳輸特性

17、如圖解1.5T（c）2所示?！窘?.6】：圖aUO=6V+8V=14V；圖bUO=6V+0.7V=6.7V；圖cUO=0.7V+0.7V=1.4V；圖dUO=0.7V；圖eUO=0.7V；圖fUO=6V。圖解T1.5(c)1圖解T1.5(a)1圖解T1.5(b)1Uo/V0.70.7p0.7-Ui/V圖解T1.5(a)2圖解T1.5【解1.7：由題可知穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流IZmax(b)2PZMUz圖解T1.5(c)2流過穩(wěn)壓管的電流IZ應(yīng)滿足:IZminIZIZmax，又因為:得限流電阻R的取值范圍：0.36kR1.8k【解1.8：(1)由于RlRlRUi(2)由于八IZUi15V22150

18、mA=25mA6,UIUzIZ15V6V,由此可R20V10V8V,穩(wěn)壓管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。故UoUoRlUoRIIO7.5VUz8V8一mA4mA2208mA6mA2(64)mA2mA8V,穩(wěn)壓管沒有擊穿不能穩(wěn)壓，所以Uo7.5V.15.IIOmA375mA22Iz=0習(xí)題1.1 在圖P1.1所示電路圖中，試求下列幾種情況下輸出端Y點的電位及流過各元件的電流。Ua=Ub=0V;Ua=3V,Ub=0V。設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓Uon=0.7V。1.2 分析圖P1.2所示電路中各二極管的工作狀態(tài)，t求下列幾種情況下輸出端丫點的電位及流過各圖 P1.2Ui=10sin t (V),二極管的性能理想。分別畫出

19、它們的輸入、輸出Ub=0V;Ua=Ub=5V。二極管的導(dǎo)通電壓Uon=0.7V1.3 在圖P1.3所示電路中，已知電壓波形和傳輸特性曲線uo=f(Ui)。(b)圖P1.32kQui/Vui/Vtt圖解1.3P(b)1圖解P1.3(c)圖解 1.3 (a) 2圖解1.3 (b)2t(V)輸入電壓ui=10sin1.4 圖P1.4所示為一限幅電路,設(shè)VDi、VD2的性能均理想。圖解1.3(c)2試畫出輸出電壓的波形和傳輸特性曲線。1.5圖解P1.4(a)t(mV),二極管的導(dǎo)通電壓Uon=0.7V,電容C對交流信號的容抗可忽略不計。試計算輸出電壓的交流分量。圖P1.51.6圖P1.6所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓

20、電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓耗PZM=125mW。限流電阻R=1k,負載電阻Rl=500(1)分別計算輸入電壓Ui為12V、35V三種情況下輸出電壓Uo的值。,最大功若輸入電壓U=35V時負載開路，則會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？為什么?圖P1.61.7 圖1.6所示的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，如果穩(wěn)壓管選用2DW7B,已知其穩(wěn)定電壓Uz=6V,最大穩(wěn)定電流Izmax=30mA,最小穩(wěn)定電流Izmin=10mA,限流電阻R=200。(1)假設(shè)負載電流lL=15mA,則允許輸入電壓的變化范圍為多大？才能保證穩(wěn)壓電路正常工作？假設(shè)給定輸入直流電壓Ui=13V,則允許負載電流Il的變化范圍為多大？如果負載電流也在一定范圍變化

21、，設(shè)Il=1015mA，此時輸入直流電壓Ui的最大允許變化范圍為多大？【解1.11:(1)二極管VDi和VD2均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導(dǎo)通。所以輸出端丫點電1 10V0.7V位：UY=Uon=0.7V。流過二極管VD1和VD2的電流：IVD1IVD24.65mA2 1kQ(2)二極管VD1和VD2均承受正向電壓，但VD2承受的正向電壓大，VD2優(yōu)先導(dǎo)通。所以輸出端丫點電位：UY=Uon=0.7V。將VD1鉗制在截止?fàn)顟B(tài)。流過二極管VD1的電流Ivd10,流過二極管，一一10V0.7VVD2的電流Ivd29.3mA1kQ【解1.2：(1)二極管VD1和VD2均處于零偏狀態(tài)，所以都截止。

22、輸出端丫點電位：Uy=0。流過二極管VD1和VD2的電流IVD1IVD20o(2)二極管VD1正偏導(dǎo)通，所以輸出端丫點電位：Uy=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。將VD2鉗制在截4.3V止?fàn)顟B(tài)。流過二極管VD1流過二極管VD1和VD2的電流IVD14.3mA,流過二極管VD2的電流1kQ1VD20。(3)二極管VD1和VD2均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導(dǎo)通。所以輸出端丫點電位：14.3VUY=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。流過二極管VD1和VD2的電流Ivd1IVD22.15mA。21kQ【解1.3：在(a)圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開時，二極管兩端的電壓Uvd=5Vui

23、o當(dāng)Uvd0,即Ui5V時，二極管導(dǎo)通，輸出電壓uo=5V;當(dāng)Uvd0,即ui5V時，二極管截止，輸出電壓uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解P1.3(a)1所示，傳輸特性如圖解P13(a)2所示。在(b)圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開時，二極管VD1兩端的電壓Uvd1=ui,VD2兩端的電壓Uvd2=ui3V。當(dāng)ui>3V時，VD2導(dǎo)通，輸出電壓Uo=3V;當(dāng)Ui0時，VD1導(dǎo)通，輸出電壓uo=0；當(dāng)0Ui3V時，VD2、VD1都截止，輸出電壓Uo=Uio輸出電壓的波形如圖解P1.3(b)1所示，傳輸特性如圖解P1.3(b)2所示。在(b)圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開時，二極管VD1兩端的電壓U

24、vd1=5VUi,VD2兩端的電壓UvD2=ui3V。當(dāng)Ui>3V時，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo=3V;當(dāng)ui5V時，VDi導(dǎo)通，輸出電壓uo=5V;當(dāng)5Vui3V時，VD2、VDi者B截止，輸出電壓uo=uio輸出電壓的波形如圖解P1.3(c)1所示，傳輸特性如圖解P1.3(c)2所示【解1.4：設(shè)流過VDi、VD2、Ri、R2的電流分別為iDi、iD2、ii、i2,參考方向如圖解1.4P(a)所示。當(dāng)VDi、VD2均導(dǎo)通時iD2 i28 ui-RT8 ui20iDi(ii iD2)8 uiR2警)七，由此可得，VD1導(dǎo)通的條件是：ui4V;VD2導(dǎo)通的條件是：ui8V。故ui8V時，VDi導(dǎo)通，VD2截止，輸出電壓uo=8V;4Vui8V時，VDi、VD2者B導(dǎo)通，輸出電壓u0=ui;82ui4V時，VDi截止,VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo1024V。2010輸出電壓的波形如圖解P1.4(b)所示，傳輸特性如圖解P1.4(c)所示圖解 P1.4(b)u0/V圖解 P1.4(c)【解1.5：只有直流電壓作用時，電容C開路，流過二極管的電流為Idq100.7mA1.8mA,5.1,26(mV)26由