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基本电路1.1 教学内容与要求本章介绍了半导体基础知识、半导体二极管及其基本应用和几种特殊二极管。教学内 容与教学要求如表1.1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用。表1.1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基础知识本征半导体，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

2、选择V模型V应用(限幅、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V1.2 内容提要1.2.1 半导体的基础知识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)和错 (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，载流子的浓度基本按指 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

3、，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基

4、础。2. PN结的单向导电性PN结具有单向导电性。外加正向电压时，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：I IS(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；LT=KT7q,为温度电压当量，在常温下，廿26mV(1)正向特性 U 0的部分称为正向特性，如满足ULT,则I ISeU'UT,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的部分称为反向特性，如

5、满足UIUT,则I IS,反向电流与反向电压的大小基本无关。(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。由势垒电容Cb和扩散电容Cd组成。G和Cd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

6、、 面接触型和硅平面型几种。2 .半导体二极管的伏安特性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结的伏安特性基本相同，但又有一定的差别。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(2-2.5 ) 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 0 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

7、流Ir；最高工作频率fM等。由于制造工艺所限，即使同一型号的管子，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iR为零，相当于降UD为零，相当于开关闭合；当外加反向电压时，二极管截止，反向电流 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UOn时，二极管导通，二极管两端电压降为 Un；当外加电压小于 UOn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iD与电压UD成线性关系，

8、直线斜率为1/D；当二极管外加正向电压小于UOn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，则对微变信号可将二极管等效成一个电阻出 其值与静态工作点有关，即 rd U T /1 DQ。l/Q6 .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

9、穿特性来实现稳定电压的，正常使用时工作在反向击穿状态。当反向电压达到击穿电压LZ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：稳定电压以，稳定电流IZ,最大耗散功率PC耕口最大工作电流I Zmax, 动态电阻rz和稳定电压的温度系数”。(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IZmax之间。2 .其它特殊二极管发光二极管：通以电流时，能发出光来。光电二极管：将

10、光能转换成电能，它的反向电流与光照强度成正比。变容二极管：结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。自测题2.1 判断下列说法是否正确，用和“ ”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。()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。()3 .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体现出来。()解 1.1 ：1. X 2. V 3. X 4. V 5. M1.2 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

11、 B oA .自由电子B.空穴2. N 型半导体 C; P型半导体 C oA .带正电B.带负电C.呈电中性3. 在掺杂半导体中，多子的浓度主要取决于B,而少子的浓度则受 A 的影响很大。A .温度 B .掺杂浓度C .掺杂工艺D .晶体缺陷4. PN结中扩散电流方向是 A;漂移电流方向是B 。A.从P区到N区 B .从N区到P区5. 当PN结未加外部电压时，扩散电流 C 飘移电流。A .大于B小于C.等于6.当PN结外加正向电压时，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 B 漂移电流，耗尽层DOA .大于B小于C.等于D .变宽E变窄F.不变7.二极管的正向电阻B,反

12、向电阻 AOA .大B.小8.当温度升高时，二极管的正向电压B,反向电流 AOA .增大B减小C.基本不变9.稳压管的稳压区是其工作在C状态。A .正向导通B反向截止C.反向击穿【解 1.2 ：1.A、B 2.C、C 3.B、A 4.A、B 5.C 6.A、E、B、D 7.B 、A 8.B 、A 9.C1.3 有A、B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是2A、0.5A、5A;在外加相同的正向电压时，电流分别为10mA 30mA、15mA比较而言，哪个管子的性能最好？【解1.3：二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。1.4

13、 试求图T1.4所示各电路的输出电压值 "，设二极管的性能理想。(a)【解1.4：二极管电路，通过比较二极管两个电极的电位高低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，求出二极管阳极和阴极电位,电路中只有一个二极管：若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5),二极管正偏导通，导通时压降为 0 (对于理想二极管)或 Un (对于恒压源模型的二极管)；若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：若一个正偏，一个反偏，则正偏的导通，反偏的截止；若两个都反偏，则 都截止；若两个都

14、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，U=5V图(b)二极管VD导通，口= 7V图？二极管VD截止,廿= 1V图(d)二极管VD导通，VD截止，LO=0V图(e)二极管VD截止,VD导通，LL= 9V图(f) 二极管VD导通，U)=0V+Ui1.5 在图T1.5所示电路中，已知输入电压 Ui=5sin t (V),设二极管的导通电压 Un=0.7V。分别画 出它们的输出电压波形和传输特性曲线Uo=f (Ui)。3kQ+VDi VD 2Uvdi、乙 N、U VD2+(c)【解1.5：在(a)图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压 U/DFU

15、。当U-丛，即u 0.7V 时，二极管导通，输出电压 Uo=Ui 0.7V;当UVd Un,即Ui 0.7V时，二极管截止，输出电压 3=0。输出 电压的波形如图解 T1.5 (a) 1所示，传输特性如图解 T1.5 (a) 2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Uk=u。当UVd U=n,即Ui 0.7V时，二极管导通，输出电压 u= 0.7V ;当UVd ",即u 0.7V时，二极管截止，输出电压 uo=Ui°输出电压的波 形如图解1.5T (b) 1所示，传输特性如图解 1.5T (b) 2所示。在(c)图所示电路中，当 Ui 0.7V时，二极

16、管VD导通，输出电压Uo=0.7V;当Ui 0.7V时，二极 管VQ导通，输出电压 uo= 0.7V;当 0.7V Ui 0.7V时，VD、VD都截止，输出电压 uo=U，。输出电压的 波形如图解1.5T (c) 1所示，传输特性如图解 1.5T (c) 2所示。图解 T1.5 (c) 1图解 T1.5 (a) 1图解 T1.5 (a) 2图解 T1.5 (b) 1图解 T1.5 (b) 2Uo/V0.70.75100.75L Ui/V图解 T1.5 (c) 21.6 有两个硅稳压管，Vd、Vd的稳定电压分别为 6V和8V,正向导通电压为0.7V,稳定电流是5mA 求图T1.6各个电路的输出电

17、压 UOo(a)2k QVD z1szVD z2 ZUO(d)(b)(c)(f)解 1.6 ：图 a U=6V+8V=14V图 e U=0.7V;图 fUO=6Vo(e)图 T1.6图 b U)=6V+0.7V=6.7V;图 cU=0.7V+0.7V=1.4V ;图 d UO=0.7V;1.7 已知稳压管的稳定电压 匹=6V,最小稳定电流|zmin=5mA最大功耗RM=150mW试求图T1.7所示电路中限流电阻 R的取值范围。【解1.7：由题可知稳压管的最大稳定电流I Zmax-PZM-Uz150mA=25mA6流过稳压管的电流I Z应满足:I Zmin I Z I Zmax ，又因为:IZU

18、i UzR15V 6V,由此可R得限流电阻R的取值范围：0.36kR 1.8k1.8 稳压管稳压电路如 图T1.8(1) UO、I。、I 及 I z 的值。所示，稳压管的稳定电压 LZ=8V,动态电阻rz可以忽略，U=20Vo试求:I及I Z的值。当UI降低为15V时的LO、|oUiIo2kQVD z本Uo图 T1.8【解1.8：(1)由于RLUiRlR2一 20V 10V 8V ,稳压管处于稳压状态。故2UoUz 8VIZUo8 AA一 mA 4mA2UiUo RI Io(2)由于 _RUiRlR 2 215V7.5V20 8mA 6mA2(6 4)mA 2mA8V ,稳压管没有击穿不能稳压

19、，所以Uo7.5 V15IO mA 3.75mAO 2 2习题1.1在图P1.1所示电路图中,试求下列几种情况下输出端Y点的电位及流过各元件的电流。LA=UB=0V;【解U=3V, U=0V。设二极管的导通电压 Un=0.7V。1.1】：(1)二极管VD和VD均承受正向电压，且正向电压相等，都导通。所以输出端丫点电位:LY=Un=0.7V。流过二极管 VD 和 VD的电流：I VD1 I VD2 110V_07V 4.65mA2 1kQ(2)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 丫点电位:LY=Un=0.7V。将VD钳制在截止状态。流过二极管VD的

20、电流|VD1 0,流过二极管VD的电流I VD21.210V 0.7 V9.3mA1kQ分析图P1.2所示电路中各二极管的工作状态，试求下列几种情况下输出端丫点的电位及流过各元件的电流。(1) U=U=0V;U=5V, U=0V;U=U=5V。二极管的导通电压 Un=0.7V。10V1kQVD1图 P1.2图 P1.1【解1.2：(1)二极管VD和VD均处于零偏状态，所以都截止。输出端 丫点电位：U=0。流过二极管VD和VQ的电流|vD1 IVD2 0。丫点电位：LY=lk Un=5V-0.7V=4.3V 。将VD钳制在截止状态。(2)二极管VD正偏导通，所以输出端4 3V流过二极管VD流过二

21、极管VD和VQ的电流IVD1 4.3mA ,流过二极管VD的电流I VD2 0。1k Q(3)二极管VD和VD均承受正向电压，且正向电压相等，都导通。所以输出端丫点电位:1 4.3VU=lA-Un=5V-0.7V=4.3V。流过二极管 VD 和 VQ的电流 I VD1 |VD2 2.15mA 。2 1kQ1.3 在图P1.3所示电路中，已知Ui=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 Uo=f (Ui)。+2k QUiUo5V(a)Ui2k QVD23V5V 十(c)Uo解1.3 ：在(a)图所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压Ud=

22、5V U，。当Ud 0,即u 5V时，二极管导通，输出电压Uo=5V;当U/d 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 P1.3 (a) 1所示，传输特性如图解 P13 (a) 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 Ud1= u, VD两端的电压U/D2=Ui 3Vo当u>3V时，VD导通，输出电压 uo=3V;当u 0时，VD导通，输出电压 w=0；当0 u 3V时，VD、VD都截止，输出电压Uo=Uio输出电压的波形如图解 P1.3 (b) 1所示，传输特性如图解 P1.3 (b) 2所示。在(b)图所示电路中，当二极管断

23、开时，二极管VD两端的电压 Ud产5V u,VD两端的电压Ud2=u，3Vo 当u>3V时，VD2导通，输出电压Uo=3V;当Ui5V时，VD导通，输出电压Uo=5V;当 5V u 3V时，VD、VD都截止，输出电压 Uo=Uio输出电压的波形如图解 P1.3 (c) 1所示，传输特性如图解 P1.3 (c) 2 所示Uo/VUo/V10Uo/V1 Ui/V图解 1.3 (a) 21.4 图P1.4所示为一限幅电路, 设VD、VD2的性能均理想。图解1.3 (b)输入电压u=10sin图解 1.3 (c) 2(V),试画出输出电压的波形和传输特性曲线。图 P1.4【解1.4：设流过VD、

24、VD、R、当VD、VD2均导通时R的电流分别为i di、图解 P1.4 (a)iD2、3、iz,参考方向如图解 1.4P(a)所示。8 Ui 8 UiiD2 i2 -Z-cc ' iD1R2208(i1 32)(一UiR22 UiRl条件是:Ui 4V; VD2导通的条件是：Ui8V。故Ui 8V时，VD导通,)3Ui 12 ,由此可得,VD导通的20VD2截止，输出电压 u0=8V;4VUi4V时，VD截止，VD导通，输出电压 u0 -8210 220 10输出电压的波形如图解P1.4(b )所示，传输特性如图解4V oP1.4(c)所示。图解 P1.4(b)1.5电路如图P1.5所

25、示。输入电压 u=10sin t信号的容抗可忽略不计。试计算输出电压的交流分量。(mV,二极管的导通电压 Un=0.7V,电容C对交流Ui 8V时，VD、VD2都导通，输出电压 Uo=Ui；图 P1.5图解P1.5【解1.5：只有直流电压作用时，电容C开路，流过二极管的电流为 IDQ10 0.7“ mA 1.8 mA5.1由此可估算出二极管 VD的动态电阻为:在进行交流分析时，令直流电压和电容短路, 解P1.5 。由图可求得输出电压的交流分量为rd26(mV)至。lDQ(mA) 1.8二极管用交流等效电阻14.4 Qrd代替,此时，电路可等效为图rdR2Uo Ui /(R1rd R2rdR2、 -) Ui rd R21.6 图P1.6所示稳压管稳压电路中，稳压管的稳定电压PZ后125mW限流电阻R=1k ,负载电阻R=500 。(1)分别计算输入电压U为12V、35V三种情况下输出电压rdW rdU=6V,3.65sin t (mV最小稳定电流I Zmin=5mA最大功耗 若输入电压U=35V时负载开路，则会出现什么现象？为什么?Ui1+VDzZS Rl口 Uo125mA 20.83mA6图 P1.6【解1.6：(1)根据题意可知流过稳压管的最大稳定电流,PZm1 Zmax 当 U = 12V 时，UI &R Rl