半導體二極管及其應(yīng)用習題解答

1、第1章半導體二極管及其根本電路1.1教學內(nèi)容與要求本章介紹了半導體根底知識、半導體二極管及其根本應(yīng)用和幾種特殊二極管。教學內(nèi) 容與教學要求如表1.1所示。要求正確理解雜質(zhì)半導體中載流子的形成、載流子的濃度與溫 度的關(guān)系以及PN結(jié)的形成過程。主要掌握半導體二極管在電路中的應(yīng)用。表1.1第1章教學內(nèi)容與要求教學內(nèi)容教學要求重點與難點半導體根底知識本征半導體，雜質(zhì)半導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

2、選擇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)容提要半導體的根底知識1 本征半導體高度提純、結(jié)構(gòu)完整的半導體單晶體叫做本征半導體。常用的半導體材料是硅(Si)和鍺(Ge)。本征半導體中有兩種載流子：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，載流子的濃度根本按指 數(shù)規(guī)律增加。但本征半導體中載流子的濃度很低，導電能力仍然很差，N型半導體，N型半導體中P型半導體。P型半導體中的摻入雜質(zhì)越多，多子濃度就越

3、2 雜質(zhì)半導體(1) N型半導體 本征半導體中，摻入微量的五價元素構(gòu)成的多子是自由電子，少子是空穴。N型半導體呈電中性。(2) P型半導體 本征半導體中，摻入微量的三價元素構(gòu)成多子是空穴，少子是自由電子。P型半導體呈電中性。在雜質(zhì)半導體中，多子濃度主要取決于摻入雜質(zhì)的濃度， 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1. PN結(jié)的形成N型半導體，另一邊形成P型半在一塊本征半導體上，通過一定的工藝使其一邊形成PN結(jié)。PN結(jié)是導體，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 構(gòu)成其它半導體器件的根底。2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮

4、N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：I lS(eUUT 1)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，為溫度電壓當量，在常溫下，Ut 26mV。(1)正向特性 U0的局部稱為正向特性，如滿足U Ut，貝U I ISeU Ut , PN 結(jié)的正向電流I隨正向電壓U按指數(shù)規(guī)律變化。反向特性 U0的局部稱為反向特性，如滿足UUT，那么 IIs，反向電

5、流與反向電壓的大小根本無關(guān)。(3) 擊穿特性 當加到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PN結(jié)正向偏置時，擴散電容 Cd起主要作用，當 PN結(jié)反向偏置時，勢壘電容 Cb起主要作用。半導體二極管1. 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導體二極管是由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

6、. 半導體二極管的伏安特性半導體二極管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)的伏安特性根本相同，但又有一定的差異。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10C, 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。當溫度每升高10 oC左右時，反向飽和電流將加倍。4. 半導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，

7、即使同一型號的管子，參數(shù)也存在一定的分散性，因此 手冊上往往給出的是參數(shù)的上限值、下限值或范圍。5. 半導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 : 理想二極管相當于一個開關(guān)。當外加正向電壓時，二極管導通，正向壓 降 uD 為零，相當于開關(guān)閉合；當外加反向電壓時，二極管截止，反向電流iR 為零，相當于開關(guān)斷開。(2) 恒壓源模型 : 當二極管外加正向電壓等于或大于導通電壓Uon 時，二極管導通，二極管兩端電壓降為 Uon；當外加電壓小于 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

8、；當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 ： 如果在二極管電路中，除直流信號外，還有微變信號，那么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rd Ut/IDq6半導體二極管的應(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 穩(wěn)壓管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管。定電壓的,正常使用時工作在反向擊穿狀態(tài)。

9、當反向電壓到達擊穿電壓反向電流會急劇增加, 即使通過穩(wěn)壓管的反向電流在較大范圍內(nèi)變化, 電壓幾乎不變,表現(xiàn)出很好的穩(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Izmax，動態(tài)電阻rz和穩(wěn)定電壓的溫度系數(shù)a(3) 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓必須滿足兩個條件： 一是必須工作在反向擊穿狀態(tài) 除外)；二是流過穩(wěn)壓管的電流要在最小穩(wěn)定電流 I zmin 和最大穩(wěn)定電流 2. 其它特殊二極管發(fā)光二極管 光電二極管 變?nèi)荻O管Zmax,利用 PN 結(jié)的反向擊穿特性來實現(xiàn)穩(wěn)UZ 后,流過管子的 管子兩端的反向擊穿通以電流時,能發(fā)出光來。將光能轉(zhuǎn)換成電能,它的反向電流與光

10、照強度成正比。結(jié)電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。PCM 和最大工作電流利用正向特性穩(wěn)壓IZmax 之間。自測題1.1判斷以下說法是否正確，用“V和“表示判斷結(jié)果填入空內(nèi)1. 半導體中的空穴是帶正電的離子。2. 溫度升高后，本征半導體內(nèi)自由電子和空穴數(shù)目都增多，且增量相等。3. 因為P型半導體的多子是空穴，所以它帶正電。4. 在N型半導體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導體。5. PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才能表達出來。1.2選擇填空1. N型半導體中多數(shù)載流子是A ； P型半導體中多數(shù)載流子是B 。A .自由電子B.空穴2. N型半導體C ; P型半導體C 。A .帶

11、正電B.帶負電C.呈電中性3. 在摻雜半導體中，多子的濃度主要取決于B，而少子的濃度那么受A .溫度B.摻雜濃度C .摻雜工藝4. PN結(jié)中擴散電流方向是A;漂移電流方向是 _BB.從N區(qū)到P區(qū)擴散電流 C 飄移電流。B.小于A .從P區(qū)到N區(qū)5.當PN結(jié)未加外部電壓時,A 大于6. 當PN結(jié)外加正向電壓時，擴散電流_BA .大于B.小于D 變寬E .變窄7. 二極管的正向電阻B ，反向電阻 A 。A .大B. 小8. 當溫度升高時，二極管的正向電壓B，反向電流A .增大B.減小9. 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在 C 狀態(tài)。A .正向?qū)˙.反向截止擴散電流 A 漂移電流,漂移電流，耗盡層 D 。

12、耗盡層A_的影響很大。D晶體缺陷C.等于E ;當PN結(jié)外加反向電壓時,c.等于F.不變C.根本不變C.反向擊穿2 A、0.5 A、5 A;在外加相同的正向電1.3有A、B、C三個二極管，測得它們的反向電流分別是壓時，電流分別為10mA、 30mA、15mA。比擬而言，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 U。，設(shè)二極管的性能理想。VD5V3kQ | |Uo5V+U。3kq(b)(a)(c)O10V 5VVD(f )Uo1.5在圖T1.5所示電路中，輸入電壓u=5sin t V，設(shè)二極管的導通電壓U°n=0.7V。分別畫出它們的輸岀電壓波形和傳輸特性曲線Uo=

13、f Ui。uVD lVD+3kQUi(a)o3kQui UvD1VD1EZ卒U VD2+VD 2+Uo(c)1.6有兩個硅穩(wěn)壓管，VDz1、VD Z2的穩(wěn)定電壓分別為 6V和5mA。求圖T1.6各個電路的輸出電壓Uo。8V,正向?qū)妷簽?0.7V,穩(wěn)定電流是(a)2kQ+Uo(b)+Uo+(d)Uo+2kQUo+(f)Uoe圖 T1.61.7穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 Uz=6V，最小穩(wěn)定電流lZmin=5mA ,試求圖T1.7所示電路中限流電阻 R的取值范圍。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Uz=8V，動態(tài)電阻R可以忽略，Ui=20V。試Uo、Io、I 及 |z 的值。當Ui降低為

14、15V時的Uo、I。、I及l(fā)z的值。最大功耗PzM=l50mW。1.8求：圖 T1.7UiVDz丕UoIRR2kQ圖 T1.8【解 1.1 ：1. X 2. V 3. X 4. V 5. V【解 1.2:1.A、B 2.C、C3.B、A 4.A、B 5.C6.A、E、B、D7.B、A 8.B、A 9.C【解1.3：二極管在外加相同的正向電壓下電流越大，其正向電阻越小；反向電流越小，其單向?qū)?電性越好。所以B管的性能最好。解 1.4：二極管電路，通過比擬二極管兩個電極的電位上下判斷二極管工作在導通還是截止狀態(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：假設(shè)陽極電位高

15、于陰極電位或二極管兩端電壓大于其導通電壓Uon,二極管正偏導通，導通時壓降為0 對于理想二極管或 Uon 對于恒壓源模型的二極管；假設(shè)陽極電位低于陰極電位或二極管兩端電壓小于其導通電壓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：假設(shè)一個正偏，一個反偏，那么正偏的導通，反偏的截止；假設(shè)兩個都反偏，貝U 都截止；假設(shè)兩個都正偏，正偏電壓大的優(yōu)先導通，進而再判斷另一只二極管的工作狀態(tài)。圖a二極管VD導通，Uo=5V圖b二極管VD導通，Uo= 7V圖？二極管VD截止，Uo= 1V圖d二極管VD1導通，VD2截止，Uo=0V圖e二極管VD1截止，VD2導通，U°= 9

16、V圖f二極管VD導通，Uo=0V【解1.5：在a圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓 Uvd = u。當Uvd Uon,即u 0.7V 時，二極管導通，輸出電壓 Uo= u 0.7V;當Uvd Uon，即Ui 0.7V時，二極管截止，輸出電壓 Lfc=0。輸出電 壓的波形如圖解T1.5 a1所示，傳輸特性如圖解 T1.5a2所示。在b圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓UvD=Ui。當Uvd Uon，即 Ui 0.7V時，二極管導通，輸出電壓 Uo= 0.7V ;當Uvd Uon，即Ui 0.7V時，二極管截止，輸出電壓Uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解1.5T b1所示，傳

17、輸特性如圖解 1.5T b2所示。在c圖所示電路中，當 Ui 0.7V時，二極管 VD1導通，輸出電壓 Uo=0.7V ;當Ui 0.7V時，二極管 VD2導通，輸出電壓 Uo= 0.7V;當0.7V Ui 0.7V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，傳輸特性如圖解 1.5Tc 2所示。【解 1.6:圖 a Uo=6V+8V=14V ;圖 b Uo=6V+0.7V=6.7V ;圖 c Uo=0.7V+0.7V=1.4V ;圖 d Uo=0.7V ;圖 e Uo=0.7V ;圖 f Uo=6V。Ui/V圖解 T1.5 (a) 20.70.7

18、ZT一5 1V0.750*7圖解 T1.5 (c)Ui/V圖解T1.5(b) 2【解1.7：由題可知穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流I ZmaxPZm型 mA=25mA6流過穩(wěn)壓管的電流Iz應(yīng)滿足：I Zmin Iz I Zmax，又因為:, Ui UzIZ15V 6VR由此可得限流電阻R的取值范圍:【解1.8： 1由于R 1.8kUI220V10V 8V，穩(wěn)壓管處于穩(wěn)壓狀態(tài)。R2 2UoUz 8VIUoI o Rl8 A AmA 4mA2I Ui Uo20 8mA 6mAr20.36k故IzRlRlI Io(6 4)mA 2 mA(2)-15V2 27.5V8V，穩(wěn)壓管沒有擊穿不能穩(wěn)壓，所以Uo 7.5

19、VIO 竺 mA 3.75mA2 2Iz=0習題1.1在圖P1.1所示電路圖中，試求以下幾種情況下輸出端Y點的電位及流過各元件的電流。Ua=Ub=OV : Ua=3V，Ub=OV。設(shè)二極管的導通電壓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)，試求以下幾種情況下輸出端Y點的電位及流過各元Uon=0.7V件的電流。Ua= Ub=OV ;Ua=5V，Ub=OV :Ua=Ub=5V。二極管的導通電壓1.3在圖P1.3所示電路中，VDiVD2圖 P1.2u=10sin tV，二極管的性能理想。分別畫出它們的輸入、輸出電壓波形和傳輸特性曲線 Uo=f UiUi2k QVD23VUo

20、5V(a)(b)(c)圖 P1.3圖解 P1.3 ( a) 1圖解 1.3P ( b) 1圖解 P1.3 ( c) 1圖解 1.3 (a) 2圖解 1.3( b) 2圖解 1.3( c) 21.4圖P1.4所示為一限幅電路，輸入電壓Ui=10sin t (V),試畫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。VD 1打+ Mnr10k Q 占20kQ1luR1R2VD2+2V8ViD1 VD 1iDD220kQR2i+2V8V+10klR1圖 P1.4圖解 P1.4 (a)1.5電路如圖P1.5所示。輸入電壓 u=10sin t (mV),二極管的導通電壓Uon=0.7V，電

21、容C對交流信號的容抗可忽略不計。試計算輸岀電壓的交流分量。C 25 Q-R1VDui10V5.1k QR2u。圖 P1.51.6圖P1.6所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓PzM=125mW。限流電阻 R=1k ，負載電阻 Rl=500 分別計算輸入電壓 Ui為12V、35V三種情況下輸出電壓 Uo的值。 假設(shè)輸入電壓Ui=35V時負載開路，那么會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？為什么?+Ui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，其穩(wěn)定電壓 Uz=6V，最大穩(wěn)定電流lzmax=30mA，最小穩(wěn)定電流lzmin = 10mA，限流電阻 R=200。 假設(shè)負載電流lL=15

22、mA，那么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，那么允許負載電流Il的變化范圍為多大？如果負載電流也在一定范圍變化，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1.1】：(1) 二極管VDi和VD2均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導通。所以輸出端Y點電位：UY=Uon=0.7V。流過二極管 VDi和VD2的電流：IvdiI VD21 10V0.7V2 ?kQ4.65mA(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)先導通。所以輸出端Y點電位：Uy=U"=0.7V。將V

23、D1鉗制在截止狀態(tài)。流過二極管VD1的電流|VD1 0，流過二極管VD2的電流1 VD210V0.7V9.3mA1kQ【解1.2】：(1)二極管VD1和VD2均處于零偏狀態(tài)，所以都截止。輸出端Y點電位：Uy=0。流過二極管VD 1和VD2的電流IvD1 IVD2 0。(2)二極管VD1正偏導通，所以輸出端 Y點電位：Uy=Ua-U“=5V-0.7V=4.3V。將VD2鉗制在截止狀態(tài)。流過二極管 VD1流過二極管VD1和VD2的電流IVD14.3V1kQ4.3mA，流過二極管VD2的電流IVD2 0 °(3)二極管VD1和VD2均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導通。所以輸岀端Y點電位

24、:Uy= Ua-U"=5V-0.7V=4.3V。流過二極管 VD 1 和 VD 2的電流 I VD1 IVD21 4.3V2 1k Q2.15mA【解1.3】：在(a)圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓Uvd=5V u°當Uvd 0,即Ui 5V時，二極管導通，輸出電壓Uo=5V ;當Uvd 0，即 u 5V時，二極管截止，輸出電壓uo= U。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，當二極管斷開時，二極管VD1兩端的電壓Uvd1= Ui,VD2兩端的電壓Uvd2=u 3V° 當U&g

25、t;3V時，VD2導通，輸出電壓 Uo=3V ;當Ui 0時，VD1導通，輸出電壓 Uo=0；當0 Ui 3V時，VD2、 VD1都截止，輸出電壓 Uo= Ui°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，當二極管斷開時，二極管VD1兩端的電壓 Uvd1= 5V Ui，VD2兩端的電壓UvD2=Ui3V。當Ui>3V時，VD2導通，輸出電壓Uo=3V ;當Ui5V時,VD 1導通，輸出電壓Uo=5V;當5VUi3V時，VD2、VD1都截止，輸出電壓Uo=Ui°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VD1、VD2、R1、R2的電流分別為iD1、iD2、i1、i2,參考方向如圖解1.4P(a所示。 當VD1、VD2均導通時iD2 i28 Uj-RT8 Uj20iD1(i1 iD2)2也)3Ui 12，由此可得，vd1導通的R2Ri20條件是：Ui 4V; VD2導通的條件是：Ui 8V。故Ui 8V時，VD1導通，VD2截止，輸出電壓 Uo=8V ;4V Ui 8V時，VD1、VD2都導通，輸出電壓 Uo= Ui;Ui 4V時，VD1截止，VD2導通，輸出電壓 Uo20 104V