半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用習(xí)題解答

1、.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娦苑蔡匦噪娙菪?yīng)半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)與類型重點：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)型號與選擇模型應(yīng)用（

2、限幅、整流）特殊二極管穩(wěn)壓二極管（穩(wěn)壓原理與穩(wěn)壓電路）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1.2 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)成n型半導(dǎo)體，n型半導(dǎo)體中的

3、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。1.2.2 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)的交界處精品.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)。2pn結(jié)的單向?qū)щ娦詐n結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｍ饧?/p>

4、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： 式中，u的參考方向為p區(qū)正，n區(qū)負(fù)，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，ut26mv。(1) 正向特性 的部分稱為正向特性，如滿足uut，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關(guān)。 (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

5、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

6、。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?。?2.5）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10 oc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

7、模型常用的二極管模型有以下幾種：精品. (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: 如果在二極管電路中，除直流信號外，還有微

8、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。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(dá)到擊穿電壓uz后，流過管子的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，管子兩端的反向

9、擊穿電壓幾乎不變，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：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，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。精品.自測題1.1 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

10、. 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 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溫度 b摻雜濃度 c摻雜工藝

11、 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 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，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 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，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 c反向擊穿 1.3 有a、b

12、、c三個二極管，測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，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。 （a） （b） （c）精品. （d） （e） （f）圖t1.4 1.5 在圖t1.5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=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）。（a） （b） （c）圖t1.51.6 有兩個硅穩(wěn)壓管，vdz1、vdz2的穩(wěn)定電壓分別為6v和8v，正向?qū)妷簽?.7v，穩(wěn)定電流是

13、5ma。求圖t1.6各個電路的輸出電壓uo。（a） （b） （c）（d） （e） （f）圖t1.61.7 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t1.7所示電路中限流電阻r的取值范圍。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uz=8v，動態(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時的uo、io、i及iz的值。 圖t1.7 圖t1.8精品.【解1.1】： 1. 2. 3. 4. 5. 【解1.2】： 1.a、b 2.c、c 3.b、a 4.a、b 5.c 6.a、e、b、d

14、7.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??；反向電流越小，其單向?qū)щ娦栽胶?。所以b管的性能最好?！窘?.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：若一個正偏，

15、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vd1導(dǎo)通，vd2截止，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【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=ui-0.7v；當(dāng)uvduon，即ui0.7v時，二極管截止，輸出電

16、壓uo=0。輸出電壓的波形如圖解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=ui。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)ui-0.7v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

17、波形如圖解1.5t（c）1所示，傳輸特性如圖解1.5t（c）2所示?！窘?.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。精品. 圖解t1.5（a）1 圖解t1.5（b）1 圖解t1.5（c）1 圖解t1.5（a）2 圖解t1.5（b）2 圖解t1.5（c）2【解1.7】：由題可知穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流ma=25ma流過穩(wěn)壓管的電流iz應(yīng)滿足：，又因為：，由此可得限流電阻r的取值范圍：0.36kwr0，即ui3v時，vd2導(dǎo)通，輸出電壓uo=3v；當(dāng)ui3v時，v

18、d2導(dǎo)通，輸出電壓uo=3v；當(dāng)ui4v；vd2導(dǎo)通的條件是：ui8v。故ui8v時，vd1導(dǎo)通，vd2截止，輸出電壓uo=8v；4vui8v時，vd1、vd2都導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui；ui4v時，vd1截止，vd2導(dǎo)通，輸出電壓。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。精品. 圖解p1.4(b) 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ma，由此可估算出二極管vd的動態(tài)電阻為：在進行交流分析時，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，電路可等效為圖解p1.5。由圖可求得輸出電壓的交流分量為（mv）【解1.6】： 根據(jù)題意可知流過穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流當(dāng)ui12v時，穩(wěn)壓管未擊穿。故 當(dāng)ui35v時，穩(wěn)壓管反向擊穿，流過穩(wěn)壓管的電流為因為，所以穩(wěn)壓管能穩(wěn)壓，輸出電壓uo=uz=6v 當(dāng)ui=35v，負(fù)載開