半导体二极管及其应用习题解答

1、第1章半导体二极管及其根本电路教学内容与要求本章介绍了半导体根底知识、半导体二极管及其根本应用和几种特殊二极管。教学内容与教学要求如表所示。要求正确理解杂质半导体中载流子的形成、载流子 的浓度与温度的关系以及 PN结的形成过程。主要掌握半导体二极管在电路中的应表 第1章教学内容与要求教学内容教学要求重点与难点半导体根底知识本征半导体，杂质半导体熟练掌握正确理解一般了解PN结形成V重点：PN结的单向导电性难点：PN结的形成单向导电性V伏安特性V电容效应V半导体二极管结构与类型V重点：二极管应用电路分析难点：二极管各模型 的特点及选择各种模 型的条件伏安特性与主要参数V型号与选择V模型V应用限幅、

2、整流V特殊二极管稳压二极管稳压原理与稳压电路V重点：稳压管稳压条件及稳压电路分析发光二极管、光电二极管、变容二极管V内容提要半导体的根底知识1 .本征半导体高度提纯、结构完整的半导体单晶体叫做本征半导体。常用的半导体材料是硅(Si) 和锗 (Ge) 。本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子和空穴是 成对出现的，称为电子空穴对，它们的浓度相等。本征半导体的载流子浓度受温度的影响很大，随着温度的升高，载流子的浓度 根本按指数规律增加。但本征半导体中载流子的浓度很低，导电能力仍然很差， 2杂质半导体(1) N型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成N型半导体，N型半导体中的多子是自

3、由电子，少子是空穴。N型半导体呈电中性。(2) P 型半导体 本征半导体中，掺入微量的三价元素构成P型半导体。P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。P型半导体呈电中性。在杂质半导体中，多子浓度主要取决于掺入杂质的浓度，掺入杂质越多，多子 浓度就越大。而少子由本征激发产生，其浓度主要取决于温度，温度越高，少子浓 度越大。1.2.2 PN 结及其特性1. PN结的形成在一块本征半导体上，通过一定的工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，在P型区和N型区的交界处就会形成一个极薄的空间电荷层，称为PN结。PN结是构成其它半导体器件的根底。2. PN结的单向导电性PN结具有单向导电性。外加

4、正向电压时，电阻很小，正向电流是多子的扩散电流，数值很大，PN结导通；外加反向电压时，电阻很大，反向电流是少子的漂移电流，数值很小，PN结几乎截止。3. PN 结的伏安特性PN结的伏安特性:Ils(eUUT 1)式中，U的参考方向为P区正，N区负，I的参考方向为从P区指向N区；Is在数值 上等于反向饱和电流；UT=KT/ q，为温度电压当量，在常温下，26mV(1) 正向特性 U 0的局部称为正向特性，如满足 U?Ur，那么I lSeUUT，PN结 的正向电流I随正向电压U按指数规律变化。(2) 反向特性 U 0的局部称为反向特性，如满足 U Ut，那么I Is，反向 电流与反向电压的大小根本

5、无关。(3) 击穿特性 当加到PN结上的反向电压超过一定数值后，反向电流急剧增加，这种现象称为PN结反向击穿，击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。4. PN结的电容效应PN结的结电容C由势垒电容CB和扩散电容CD组成。G和G都很小，只有在信 号频率较高时才考虑结电容的作用。当 PN结正向偏置时，扩散电容 CD起主要作用， 当PN结反向偏置时，势垒电容 G起主要作用。1.2.3 半导体二极管1. 半导体二极管的结构和类型半导体二极管是由PN结加上电极引线和管壳组成。二极管种类很多，按材料来分，有硅管和错管两种；按结构形式来分，有点接触型、面接触型和硅平面型几种。2. 半导体二极管的伏安特性

6、半导体二极管的伏安特性是指二极管两端的电压Ud和流过二极管的电流i D之间的关系。它的伏安特性与 PN结的伏安特性根本相同，但又有一定的差异。在近似 分析时，可采用PN结的伏安特性来描述二极管的伏安特性。3. 温度对二极管伏安特性的影响温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，温度每升高1°c, PN结的正向压降约减小( 2) mV。二极管的反向特性曲线随温度的升高将向下移动。当温度每升高10 °C左右时，反向饱和电流将加倍。4. 半导体二极管的主要参数二极管的主要参数有：最大整流电流If ;最高反向工作电压 U;反向电流Ir；最高工作频率fM等。由于制造工艺所限，即使同一型

7、号的管子，参数也存在一定的 分散性，因此手册上往往给出的是参数的上限值、下限值或范围。5. 半导体二极管的模型常用的二极管模型有以下几种：(1) 理想模型 : 理想二极管相当于一个开关。 当外加正向电压时， 二极管导通， 正向压降UD为零，相当于幵关闭合；当外加反向电压时，二极管截止，反向电流iR为零，相当于开关断开。(2) 恒压源模型:当二极管外加正向电压等于或大于导通电压Un时，二极管导通，二极管两端电压降为 Un ；当外加电压小于U°n时，二极管截止，反向电流为零。(3) 折线模型:当二极管外加正向电压大于 Un后其电流i D与电压UD成线性关 系，直线斜率为1/D；当二极管外

8、加正向电压小于 Un时，二极管截止，反向电流为 零。(4) 微变信号模型 : 如果在二极管电路中，除直流信号外，还有微变信号，那么对微变信号可将二极管等效成一个电阻rd，其值与静态工作点有关，即rd Ut/IDq。6半导体二极管的应用(1) 限幅：利用二极管的单向导电性将输出信号幅度限定在一定的范围内，亦 即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平(称作限幅 电平)，且再不随输入电压变化。(2) 整流：正弦交流电压变换为单向脉动电压。1.2.3 特殊二极管1稳压二极管(1) 稳压原理稳压管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管。利用 PN 结的反向击穿特性 来实现稳定电压的，

9、正常使用时工作在反向击穿状态。当反向电压到达击穿电压UZ后，流过管子的反向电流会急剧增加，即使通过稳压管的反向电流在较大范围内变 化，管子两端的反向击穿电压几乎不变，表现出很好的稳压特性。(2) 主要参数稳压管的主要参数有：稳定电压UZ,稳定电流lz,最大耗散功率PCm和最大工作电流I Zmax，动态电阻r z和稳定电压的温度系数a 0(3) 稳压电路 稳压管正常稳压必须满足两个条件：一是必须工作在反向击穿状态(利用正向特性稳压除外)；二是流过稳压管的电流要在最小稳定电流Izmin和最大稳定电流I Zmax之间02. 其它特殊二极管发光二极管：通以电流时,能发出光来0光电二极管：将光能转换成电

10、能,它的反向电流与光照强度成正比0 变容二极管：结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化0自测题判断以下说法是否正确，用“V和“？表示判断结果填入空内1. 半导体中的空穴是带正电的离子0 ( )2. 温度升高后，本征半导体内自由电子和空穴数目都增多，且增量相等03. 因为P型半导体的多子是空穴，所以它带正电。4. 在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。5. PN结的单向导电性只有在外加电压时才能表达出来。选择填空1. N型半导体中多数载流子是 _A； P型半导体中多数载流子是 _B。A 自由电子B空穴2. N型半导体C ; P型半导体 C 。A .带正电B.带负电C.呈电

11、中性3. 在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于B，而少子的浓度那么受A 的影响很大。A .温度B .掺杂浓度C .掺杂工艺.晶体缺陷4. PN结中扩散电流方向是 _A;漂移电流方向是 _B.从P区到N区B.从N区到P区5.当PN结未加外部电压时,.大于扩散电流 _C飘移电流。.小于.等于当PN结外加正向电压时, 漂移电流，耗尽层6.扩散电流 A 漂移电流，耗尽层E ;当PN结外加反向电压时，扩散电流 B7.8.9.大于.小于.等于.变宽二极管的正向电阻B.大.变窄，反向电阻 A.小不变当温度升高时，二极管的正向电压B ，反向电流 A.增大稳压管的稳压区是其工作在.正向导通减小.根本不变C 状态

12、。.反向截止.反向击穿2?A、有A B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是10mA 30mA、15mA比拟而言，哪个管子的性能最好？试求图所示各电路的输岀电压值"，设二极管的性能理想。0.5?A、5?A;在外加相同的正向电压时，电流分别为(a)(d)(b)(e)(c)(f)在图所示电路中，输入电压s=5sin?t V，设二极管的导通电压 5=。分别画出它们的输出电压波形和传输(a)特性曲线Uo=f Ui o(c)(b)图有两个硅稳压管，VD1、VDZ2的稳定电压分别为 6V和8V，正向导通电压为，稳定电流是5mA求图各个电路的输出电压Uoo(a)(d)(b)(e)图(c)(f)1

13、.7 稳压管的稳定电压 lt=6V,最小稳定电流I zmin=5mA最大功耗FZM=150mW/ 试求图所示电路中限流电阻 R的取值范围。稳压管稳压电路如图所示，稳压管的稳定电压UZ=8V，动态电阻rz可以忽略，U=20V°试求：UO、Io I及Iz的值。当U降低为15V时的LO、I。、I及Iz的值。【解】：、B 、C 、A 、B 、E、B、D 、A 、A【解】：二极管在外加相同的正向电压下电流越大，其正向电阻越小；反向电流越小，其单向导电性越好。所 以B管的性能最好。【解】：二极管电路，通过比拟二极管两个电极的电位上下判断二极管工作在导通还是截止状态。方法是先假设二极管断开，求出二

14、极管阳极和阴极电位，电路中只有一个二极管：假设阳极电位高于阴极电位或二极管两端电压大于其导通电压UOn，二极管正偏导通，导通时压降为0 对于理想二极管或 UOn 对于恒压源模型的二极管；假设阳极电位低于阴极电位或二极管两端电压小 于其导通电压 Un,二极管反偏截止，流过二极管的电流为零。如果电路中有两个二极管：假设一个正偏，一个反偏，那么正偏的导通，反偏的截止；假设两个都反偏，那么都截止；假设两 个都正偏，正偏电压大的优先导通，进而再判断另一只二极管的工作状态。图a二极管VD导通，UO=5V图b二极管VD导通，U= ?7V 图？二极管VD截止，Ub= ?1V 图d二极管VD导通，VD截止，Ub

15、=0V 图e二极管VD截止，VD导通，UO= ?9V 图f 二极管VD导通，UO=0V【解】：在a图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压UVD=ui。当U/D?UOn，即卩u?时，二极管导通,输出电压uo=u?；当lk?Un，即u?时，二极管截止，输出电压 uo=0。输出电压的波形如图解a 1所示，传输特性如图 解a2所示。在b图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压U/D=u。当UD?UOn，即卩Ui?时，二极管导通，输出电压Uo=;当UVD?U0n，即u?时，二极管截止，输出电压 uo=u。输出电压的波形如图解b1所示，传输特性如图解b2 所示。在c图所示电路中，当Ui?时，

16、二极管VD导通，输出电压uo=；当u?时，二极管VD导通，输出电压uo=?；当?Ui? 时，VD、VD都截止，输出电压 a=ui。输出电压的波形如图解c 1所示，传输特性如图解c 2所示。U=6V。【解】：图 a Ub=6V+8V=14V 图 b Ub=6V+=；图 c Ub=+=;图 d 10=;图 e 10=;图 f图解c 1图解a 1图解b 1图解(c) 210.710.75 1b0.7550.7Uo/V Ui/VUzmA=25mA6流过稳压管的电流I z应满足：I zmin IZ I Zmax，又因为：lz Z，由此可得限流电阻 RRR的取值范围：?R?【解】：1由于 UI 220V1

17、0V 8V,稳压管处于稳压状态。故Rl R 2 22由于Rl uI15V 7.5V 8V，稳压管没有击穿不能稳压，所以Rl R 2 2I Z = 0习题在图所示电路图中，试求以下几种情况下输出端Y点的电位及流过各元件的电流。U=UB=OV;U=3V, LB=0Vo设二极管的导通电压山=。分析图所示电路中各二极管的工作状态，试求以下几种情况下输出端 Y点的电位及流过各元件的电流。LL=LB=OV; LA=5V, LB=OV;LA=LB=5Vo二极管的导通电压 5=。图图VD、VD的性能均在图所示电路中， s=10sin?t V，二极管的性能理想。分别画出它们的输入、输出电压波形和传输特性曲线 U

18、o=f (Ui)。(a)(b)(c)图图解a 1图解b 1图解c 1图解a 2图解b 2图解c 2图所示为一限幅电路，输入电压Ui=10sin?t V,试画出输出电压的波形和传输特性曲线。设理想图解a电路如下图。输入电压Ui=10sin?t mV，二极管的导通电压 UOn=，电容C对交流信号的容抗可忽略不计。试计算输出电压的交流分量。图解图所示稳压管稳压电路中,稳压管的稳定电压 U=6V,最小稳定电流|Zmin=5mA最大功耗PZM=125mW限流电阻R=1k?，负载电阻R=500? 分别计算输入电压 U为12V、35V三种情况下输出电压 UO的值。假设输入电压U=35V时负载开路，那么会出现

19、什么现象？为什么？图图所示的稳压管稳压电路中，如果稳压管选用2DW7B其稳定电压 U=6V,最大稳定电流I Zmax=30mA最小稳定电流IZmin=10mA限流电阻 R=200?。假设负载电流|L=15mA那么允许输入电压的变化范围为多大？才能保证稳压电路正常工作？ 假设给定输入直流电压 U=13V,那么允许负载电流I l的变化范围为多大？ 如果负载电流也在一定范围变化，设|l=1015mA此时输入直流电压 U的最大允许变化范围为多大？将VD钳制在截止状态。流过二极管VD的电流I VD10，流过二极管VD的电流IVD210V0.7V1k Q9.3mA【解】：1二极管VD和VD均承受正向电压，

20、且正向电压相等，都导通。所以输出端Y点电位：UY=UOn=。流过二极管VD和VD的电流：1 10V0.7VIVD1 IVD2 21k Q4'65mA2二极管VD和VD均承受正向电压，但 VD承受的正向电压大，VD优先导通。所以输出端 Y点电位：U=U0n=。【解】：1二极管VD和VD均处于零偏状态，所以都截止。输出端Y点电位：LY=0o流过二极管VD和VD的电流 IVD1 IVD2 0。2 二极管VD正偏导通，所以输出端 Y点电位：U=UA-Un=。将VD钳制在截止状态。流过二极管VD流过二极管VD和VD的电流|4 3v1 VD14.3mA,流过二极管VD的电流|Vd20。1k Q3

21、二极管VD和VD均承受正向电压，且正向电压相等，都导通。所以输出端Y点电位：UY=UA- Un=o流过二极管VD和VD的电流I1 4.3V“1VD1 IVD22.15mA o2 1kQ【解】：在a图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压U=5V?ji。当U?0，即u?5V时，二极管导通，输出电压 Uo=5V;当Ud?0，即u?5V时，二极管截止，输出电压 Uo=u。输出电压的波形如图 解a1所示，传输特性如图解 P13 a2所示。在b图所示电路中，当二极管断开时，二极管 VD两端的电压U/di=?u，VD两端的电压Ud2=u?3V。当u>3V时， VD导通，输出电压 Uo=3V；当

22、Ui?0时，VD导通，输出电压 Uo=0；当0?u?3V时，VD、VD都截止，输出电压 u°=U。输出 电压的波形如图解b 1所示，传输特性如图解b 2所示。在b图所示电路中，当二极管断开时， 二极管VD两端的电压 U/Di=?5V?Ui，VD两端的电压 U/D2=Ui?3V。当u>3V时, VD导通，输出电压 u°=3V;当Ui?5V时，VD导通，输出电压 Uo=?5V；当?5V?u?3V时，VD、VD都截止，输出电压 U°=Ui。 输出电压的波形如图解c 1所示，传输特性如图解c 2所示【解】：设流过VD、VD、R、R的电流分别为is、iD2、ii、i2,参考方向如图解a所示。当VD、VD均导通时ID2i28 Ui-RT8 Ui20iDiil iD2J鱼3Ui 12，由此可得，VD导通的条件是：Ui?4V；R2R|20VD导通的条件是：Ui?8V。故u?8V时，VD导通，VD截止，输出电压 u°=8V;4V?Ui?8V时，VD、VD都导通，输出电压 Uo=Ui ；U?4V时，VD截止，VD导通，输出电压 uo104V20 10输出电压的波形如图解b 所示，传输特性如图解c所示图解c图解b【解】：只有直流电压作用时，电容