半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用習(xí)習(xí)題解答 (1)

1、第1章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路 教學(xué)內(nèi)容與要求本章介紹了半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)、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(guò)程。主要掌握半導(dǎo)體二極管在電路中的應(yīng)用。表 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(diǎn)與難點(diǎn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)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)形成重點(diǎn)：PN結(jié)的單向?qū)щ娦噪y點(diǎn)：PN結(jié)的形成單向?qū)щ娦苑蔡匦噪娙菪?yīng)半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)與類型重點(diǎn)：二極管應(yīng)用電路分析難點(diǎn)：二極管各模型的特點(diǎn)及選擇各種模型的條件伏安特性與主要參數(shù)型號(hào)與選擇模型應(yīng)用（限幅、整流）特殊二極

2、管穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓原理與穩(wěn)壓電路）重點(diǎn)：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 內(nèi)容提要1.2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)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)和鍺(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(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)，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(jià)元素構(gòu)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

3、。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(jià)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。1.2.2 PN結(jié)及其特性1PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體上，通過(guò)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(huì)形成一個(gè)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)。2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ娦?。外加正向電壓時(shí)，電阻很小，正向電流是

4、多子的擴(kuò)散電流，數(shù)值很大，PN結(jié)導(dǎo)通；外加反向電壓時(shí)，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： 式中，U的參考方向?yàn)镻區(qū)正，N區(qū)負(fù)，I的參考方向?yàn)閺腜區(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，UT26mV。(1) 正向特性 的部分稱為正向特性，如滿足U>>UT，則，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 的部分稱為反向特性，如滿足，則，反向電流與反向電壓的大小基本無(wú)關(guān)。 (3) 擊穿特性 當(dāng)加到PN結(jié)上的反向電壓超過(guò)一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱

5、為PN結(jié)反向擊穿，擊穿按機(jī)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(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD組成。CB和CD都很小，只有在信號(hào)頻率較高時(shí)才考慮結(jié)電容的作用。當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容CD起主要作用，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，勢(shì)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(lái)分，有硅管和鍺管兩種；按結(jié)構(gòu)形式來(lái)分，有點(diǎn)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)體二極管的伏安特性是指二極管兩端的電壓uD和流過(guò)二極管的電流iD之間的關(guān)系。它的伏安特性與

6、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(shí)，可采用PN結(jié)的伏安特性來(lái)描述二極管的伏安特性。3. 溫度對(duì)二極管伏安特性的影響溫度升高時(shí)，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（2）mV。二極管的反向特性曲線隨溫度的升高將向下移動(dòng)。當(dāng)溫度每升高10 oC左右時(shí)，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(hào)的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此手冊(cè)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

7、以下幾種： (1) 理想模型: 理想二極管相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，正向壓降uD為零，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管截止，反向電流iR為零，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。(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(shí)，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(shí)，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(shí)，二極管截止，反向電流為零。(4) 微變信號(hào)模型: 如果在二極管電路中，除直流信號(hào)外，還有微變信號(hào)，則對(duì)微變信號(hào)可將二極

8、管等效成一個(gè)電阻rd，其值與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)，即。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?hào)幅度限定在一定的范圍內(nèi)，亦即當(dāng)輸入電壓超過(guò)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(dòng)電壓。1.2.3 特殊二極管1穩(wěn)壓二極管 (1) 穩(wěn)壓原理穩(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(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的，正常使用時(shí)工作在反向擊穿狀態(tài)。當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓UZ后，流過(guò)管子的反向電流會(huì)急劇增加，即使通過(guò)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

9、的穩(wěn)壓特性。(2) 主要參數(shù)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(dòng)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(gè)條件：一是必須工作在反向擊穿狀態(tài)（利用正向特性穩(wěn)壓除外）；二是流過(guò)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IZmax之間。2. 其它特殊二極管發(fā)光二極管：通以電流時(shí)，能發(fā)出光來(lái)。光電二極管：將光能轉(zhuǎn)換成電能，它的反向電流與光照強(qiáng)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(cè)題 判斷下列說(shuō)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

10、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?yàn)镻型半導(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(jià)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(shí)才能體現(xiàn)出來(lái)。（ ）【解】： 1.× 2. 3.× 4. 5. 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 C 。 A帶正電 B帶負(fù)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

11、溫度 B摻雜濃度 C摻雜工藝 D晶體缺陷4. PN結(jié)中擴(kuò)散電流方向是 A ；漂移電流方向是 B 。 A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(shí)，擴(kuò)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(shí)，擴(kuò)散電流 A 漂移電流，耗盡層 E ；當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，擴(kuò)散電流 B 漂移電流，耗盡層 D 。 A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 A 。 A大 B小8. 當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向電壓 B ，反向電流 A 。 A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)?B反向截止

12、C反向擊穿【解】： 、B 、C 、A 、B 、E、B、D 、A 、A 有A、B、C三個(gè)二極管，測(cè)得它們的反向電流分別是2mA、0.5mA、5mA；在外加相同的正向電壓時(shí)，電流分別為10mA、 30mA、15mA。比較而言，哪個(gè)管子的性能最好【解】：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?。所以B管的性能最好。 試求圖所示各電路的輸出電壓值UO，設(shè)二極管的性能理想。 （a） （b） （c） （d） （e） （f）圖 【解】：二極管電路，通過(guò)比較二極管兩個(gè)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(kāi)，求出二極管陽(yáng)極和陰極電位，電

13、路中只有一個(gè)二極管：若陽(yáng)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(shí)壓降為0（對(duì)于理想二極管）或Uon（對(duì)于恒壓源模型的二極管）；若陽(yáng)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(guò)二極管的電流為零。如果電路中有兩個(gè)二極管：若一個(gè)正偏，一個(gè)反偏，則正偏的導(dǎo)通，反偏的截止；若兩個(gè)都反偏，則都截止；若兩個(gè)都正偏，正偏電壓大的優(yōu)先導(dǎo)通，進(jìn)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VD1導(dǎo)通，VD2截

14、止，UO=0V 圖(e) 二極管VD1截止，VD2導(dǎo)通，UO= -9V 圖(f) 二極管VD導(dǎo)通，UO=0V 在圖所示電路中，已知輸入電壓ui=5sinwt（V），設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓Uon=。分別畫(huà)出它們的輸出電壓波形和傳輸特性曲線uo=f（ui）。（a） （b） （c）圖【解】：在（a）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開(kāi)時(shí)，二極管兩端的電壓UVD=ui。當(dāng)UVD³Uon，即ui³時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui-；當(dāng)UVD<Uon，即ui<時(shí)，二極管截止，輸出電壓uo=0。輸出電壓的波形如圖解（a）1所示，傳輸特性如圖解（a）2所示。在（b）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷

15、開(kāi)時(shí)，二極管兩端的電壓UVD=ui。當(dāng)UVD³Uon，即ui³時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出電壓uo= ；當(dāng)UVD<Uon，即ui<時(shí)，二極管截止，輸出電壓uo=ui。輸出電壓的波形如圖解（b）1所示，傳輸特性如圖解（b）2所示。在（c）圖所示電路中，當(dāng)ui³時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，輸出電壓uo=；當(dāng)ui£-時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo=-；當(dāng)-<ui<時(shí)，VD1、VD2都截止，輸出電壓uo=ui。輸出電壓的波形如圖解（c）1所示，傳輸特性如圖解（c）2所示。 圖解（a）1 圖解（b）1 圖解（c）1 圖解（a）2 圖解（b）2 圖解（

16、c）2 有兩個(gè)硅穩(wěn)壓管，VDZ1、VDZ2的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?，穩(wěn)定電流是5mA。求圖各個(gè)電路的輸出電壓UO。（a） （b） （c）（d） （e） （f）圖【解】：圖a UO=6V+8V=14V；圖b UO=6V+=；圖c UO=+=；圖d UO=；圖e UO=；圖f UO=6V。1.7 已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大功耗PZM=150mW。試求圖所示電路中限流電阻R的取值范圍。【解】：由題可知穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流mA=25mA流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ應(yīng)滿足：，又因?yàn)椋?，由此可得限流電阻R的取值范圍：W<R<W 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

17、如圖所示，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=8V，動(dòng)態(tài)電阻rz可以忽略，UI=20V。試求： UO、IO、I及IZ的值。 當(dāng)UI降低為15V時(shí)的UO、IO、I及IZ的值。 圖 圖【解】：（1）由于,穩(wěn)壓管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。故（2）由于，穩(wěn)壓管沒(méi)有擊穿不能穩(wěn)壓，所以IZ=0習(xí)題 在圖所示電路圖中，試求下列幾種情況下輸出端Y點(diǎn)的電位及流過(guò)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=?！窘狻浚海?）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Y點(diǎn)電位：UY=Uon=。流過(guò)二極管VD1和VD2的電流：（2）二極管VD1和VD2均承受正向電壓，但VD2承受

18、的正向電壓大，VD2優(yōu)先導(dǎo)通。所以輸出端Y點(diǎn)電位：UY=Uon=。將VD1鉗制在截止?fàn)顟B(tài)。流過(guò)二極管VD1的電流，流過(guò)二極管VD2的電流 分析圖所示電路中各二極管的工作狀態(tài)，試求下列幾種情況下輸出端Y點(diǎn)的電位及流過(guò)各元件的電流。UA=UB=0V；UA=5V，UB=0V；UA=UB=5V。二極管的導(dǎo)通電壓Uon=。圖 圖【解】：（1）二極管VD1和VD2均處于零偏狀態(tài)，所以都截止。輸出端Y點(diǎn)電位：UY=0。流過(guò)二極管VD1和VD2的電流。（2）二極管VD1正偏導(dǎo)通，所以輸出端Y點(diǎn)電位：UY=UA-Uon=。將VD2鉗制在截止?fàn)顟B(tài)。流過(guò)二極管VD1流過(guò)二極管VD1和VD2的電流,流過(guò)二極管VD2的

19、電流。（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Y點(diǎn)電位：UY=UA-Uon=。流過(guò)二極管VD1和VD2的電流。 在圖所示電路中，已知ui=10sinwt（V），二極管的性能理想。分別畫(huà)出它們的輸入、輸出電壓波形和傳輸特性曲線uo=f（ui）。（a） （b） （c）圖【解】：在（a）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開(kāi)時(shí)，二極管兩端的電壓UVD=5V-ui。當(dāng)UVD>0，即ui<5V時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出電壓uo=5V；當(dāng)UVD£0，即ui³5V時(shí)，二極管截止，輸出電壓uo=ui。輸出電壓的波形如圖解（a）1所示，傳輸特性如圖解P13（a）

20、2所示。 在（b）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開(kāi)時(shí)，二極管VD1兩端的電壓UVD1=-ui，VD2兩端的電壓UVD2=ui-3V。當(dāng)ui>3V時(shí)，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo=3V；當(dāng)ui<0時(shí)，VD1導(dǎo)通，輸出電壓uo=0；當(dāng)0£ui£3V時(shí)，VD2、VD1都截止，輸出電壓uo=ui。輸出電壓的波形如圖解（b）1所示，傳輸特性如圖解（b）2所示。在（b）圖所示電路中，當(dāng)二極管斷開(kāi)時(shí)，二極管VD1兩端的電壓UVD1=-5V-ui，VD2兩端的電壓UVD2=ui-3V。當(dāng)ui>3V時(shí)，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo=3V；當(dāng)ui<-5V時(shí)，VD1導(dǎo)通，輸出電壓uo=

21、-5V；當(dāng)-5V£ui£3V時(shí)，VD2、VD1都截止，輸出電壓uo=ui。輸出電壓的波形如圖解（c）1所示，傳輸特性如圖解（c）2所示 圖解（a）1 圖解（b）1 圖解（c）1 圖解（a）2 圖解（b）2 圖解（c）2 圖所示為一限幅電路，輸入電壓ui=10sinwt（V），試畫(huà)出輸出電壓的波形和傳輸特性曲線。設(shè)VD1、VD2的性能均理想。 圖 圖解 (a)【解】：設(shè)流過(guò)VD1、VD2、R1、R2的電流分別為iD1、iD2、i1、i2，參考方向如圖解(a)所示。當(dāng)VD1、VD2均導(dǎo)通時(shí)，由此可得，VD1導(dǎo)通的條件是：ui>4V；VD2導(dǎo)通的條件是：ui<8V。故

22、ui³8V時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，輸出電壓uo=8V；4V<ui<8V時(shí)，VD1、VD2都導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui；ui£4V時(shí)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓。輸出電壓的波形如圖解(b）所示，傳輸特性如圖解(c)所示。 圖解(b) 圖解(c) 電路如圖所示。輸入電壓ui=10sinwt（mV），二極管的導(dǎo)通電壓Uon=，電容C對(duì)交流信號(hào)的容抗可忽略不計(jì)。試計(jì)算輸出電壓的交流分量。 圖 圖解【解】：只有直流電壓作用時(shí)，電容C開(kāi)路，流過(guò)二極管的電流為mA，由此可估算出二極管VD的動(dòng)態(tài)電阻為：在進(jìn)行交流分析時(shí)，令直流電壓和電容短路，二極管用交流等效電阻rd代替，此時(shí)，電路可等效