半导体二极管及其应用习题解答.docx

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半导体二极管及其应用习题解答

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

√

重点：

PN结的单向导电性

难点：

PN结的形成

单向导电性

√

伏安特性

√

电容效应

√

半导体二极管

结构与类型

√

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

√

型号与选择

√

模型

√

应用（限幅、整流）

√

特殊二极管

稳压二极管（稳压原理与稳压电路）

√

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

√

1.2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，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。

1.2.2PN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：

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，UT≈26mV。

（1）正向特性

的部分称为正向特性，如满足U>>UT，则

，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

的部分称为反向特性，如满足

，则

，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CJ由势垒电容CB和扩散电容CD组成。

CB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CB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，有硅管和锗管两种；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

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iD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1oC，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10oC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UR；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，相当于开关闭合；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Uon时，二极管导通，二极管两端电压降为Uon；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Uon后其电流iD与电压uD成线性关系，直线斜率为1/rD；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rd，其值与静态工作点有关，即

。

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，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IZ，最大耗散功率PCM和最大工作电流IZmax，动态电阻rz和稳定电压的温度系数α。

（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

1.1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。

（）

1.2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D。

A．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，反向电阻A。

A．大B．小

8.当温度升高时，二极管的正向电压B，反向电流A。

A．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

1.3有A、B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是2μA、0.5μA、5μA；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？

1.4试求图T1.4所示各电路的输出电压值UO，设二极管的性能理想。

（a）（b）（c）

（d）（e）（f）

图T1.4

1.5在图T1.5所示电路中，已知输入电压ui=5sinωt（V），设二极管的导通电压Uon=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）。

（a）（b）（c）

图T1.5

1.6有两个硅稳压管，VDZ1、VDZ2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各个电路的输出电压UO。

（a）（b）（c）

（d）（e）（f）

图T1.6

1.7已知稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大功耗PZM=150mW。

试求图T1.7所示电路中限流电阻R的取值范围。

1.8稳压管稳压电路如图T1.8所示，稳压管的稳定电压UZ=8V，动态电阻rz可以忽略，UI=20V。

试求：

⑴UO、IO、I及IZ的值。

⑵当UI降低为15V时的UO、IO、I及IZ的值。

图T1.7图T1.8

【解1.1】：

1.×2.√3.×4.√5.√

【解1.2】：

1.A、B2.C、C3.B、A4.A、B5.C6.A、E、B、D7.B、A8.B、A9.C

【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。

【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）；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Uon），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，UO=-7V

图©二极管VD截止，UO=-1V

图（d）二极管VD1导通，VD2截止，UO=0V

图（e）二极管VD1截止，VD2导通，UO=-9V

图（f）二极管VD导通，UO=0V

【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UVD=ui。

当UVD≥Uon，即ui≥0.7V时，二极管导通，输出电压uo=ui-0.7V；当UVD

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UVD=ui。

当UVD≥Uon，即ui≥0.7V时，二极管导通，输出电压uo=0.7V；当UVD

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，二极管VD1导通，输出电压uo=0.7V；当ui≤-0.7V时，二极管VD2导通，输出电压uo=-0.7V；当-0.7V

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。

【解1.6】：

图aUO=6V+8V=14V；图bUO=6V+0.7V=6.7V；图cUO=0.7V+0.7V=1.4V；图dUO=0.7V；图eUO=0.7V；图fUO=6V。

图解T1.5（a）1图解T1.5（b）1图解T1.5（c）1

图解T1.5（a）2图解T1.5（b）2图解T1.5（c）2

【解1.7】：

由题可知稳压管的最大稳定电流

mA=25mA

流过稳压管的电流IZ应满足：

，又因为：

，由此可得限流电阻R的取值范围：

0.36kΩ

【解1.8】：

（1）由于

稳压管处于稳压状态。

故

（2）由于

，稳压管没有击穿不能稳压，所以

IZ=0

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。

⑴UA=UB=0V；⑵UA=3V，UB=0V。

设二极管的导通电压Uon=0.7V。

1.2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Y点的电位及流过各元件的电流。

⑴UA=UB=0V；⑵UA=5V，UB=0V；⑶UA=UB=5V。

二极管的导通电压Uon=0.7V。

图P1.1图P1.2

1.3在图P1.3所示电路中，已知ui=10sinωt（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）。

（a）（b）（c）

图P1.3

图解P1.3（a）1图解1.3P（b）1图解P1.3（c）1

图解1.3（a）2图解1.3（b）2图解1.3（c）2

1.4图P1.4所示为一限幅电路，输入电压ui=10sinωt（V），试画出输出电压的波形和传输特性曲线。

设VD1、VD2的性能均理想。

图P1.4图解P1.4（a）

1.5电路如图P1.5所示。

输入电压ui=10sinωt（mV），二极管的导通电压Uon=0.7V，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P1.5图解P1.5

1.6图P1.6所示稳压管稳压电路中，稳压管的稳定电压UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大功耗PZM=125mW。

限流电阻R=1kΩ，负载电阻RL=500Ω。

⑴分别计算输入电压UI为12V、35V三种情况下输出电压Uo的值。

⑵若输入电压UI=35V时负载开路，则会出现什么现象？

为什么？

图P1.6

1.7图1.6所示的稳压管稳压电路中，如果稳压管选用2DW7B，已知其稳定电压UZ=6V，最大稳定电流IZmax=30mA，最小稳定电流IZmin=10mA，限流电阻R=200Ω。

⑴假设负载电流IL=15mA，则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？

⑵假设给定输入直流电压UI=13V，则允许负载电流IL的变化范围为多大？

⑶如果负载电流也在一定范围变化，设IL=10~15mA，此时输入直流电压UI的最大允许变化范围为多大？

【解1.1】：

（1）二极管VD1和VD2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=Uon=0.7V。

流过二极管VD1和VD2的电流：

（2）二极管VD1和VD2均承受正向电压，但VD2承受的正向电压大，VD2优先导通。

所以输出端Y点电位：

UY=Uon=0.7V。

将VD1钳制在截止状态。

流过二极管VD1的电流

，流过二极管VD2的电流

【解1.2】：

（1）二极管VD1和VD2均处于零偏状态，所以都截止。

输出端Y点电位：

UY=0。

流过二极管VD1和VD2的电流

。

（2）二极管VD1正偏导通，所以输出端Y点电位：

UY=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。

将VD2钳制在截止状态。

流过二极管VD1流过二极管VD1和VD2的电流

流过二极管VD2的电流

。

（3）二极管VD1和VD2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-Uon=5V-0.7V=4.3V。

流过二极管VD1和VD2的电流

。

【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UVD=5V-ui。

当UVD>0，

即ui<5V时，二极管导通，输出电压uo=5V；当UVD≤0，即ui≥5V时，二极管截止，输出电压uo=ui。

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VD1两端的电压UVD1=-ui，VD2两端的电压UVD2=ui-3V。

当ui>3V时，VD2导通，输出电压uo=3V；当ui<0时，VD1导通，输出电压uo=0；当0≤ui≤3V时，VD2、VD1都截止，输出电压uo=ui。

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，当二极管断开时，二极管VD1两端的电压UVD1=-5V-ui，VD2两端的电压UVD2=ui-3V。

当ui>3V时，VD2导通，输出电压uo=3V；当ui<-5V时，VD1导通，输出电压uo=-5V；当-5V≤ui≤3V时，VD2、VD1都截止，输出电压uo=ui。

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

【解1.4】：

设流过VD1、VD2、R1、R2的电流分别为iD1、iD2、i1、i2，参考方向如图解1.4P（a）所示。

当VD1、VD2均导通时

，

，由此可得，VD1导通的条件是：

ui>4V；VD2导通的条件是：

ui<8V。

故ui≥8V时，VD1导通，VD2截止，输出电压uo=8V；

4V

ui≤4V时，VD1截止，VD2导通，输出电压

。

输出电压的波形如图解P1.4（（b）所示，传输特性如图解P1.4（c）所示。

图解P1.4（b）图解P1.4（c）

【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

mA，

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，二极管用交流等效电阻rd代替，此时，电路可等效为图解P1.5。

由图可求得输出电压的交流分量为

（mV）

【解1.6】：

⑴根据题意可知流过稳压管的最大稳定电流

当UI＝12V时，

，稳压管未击穿。

故

当UI＝35V时，

，稳压管反向击穿，流过稳压管的电流为

因为

，所以稳压管能稳压，输出电压UO=UZ=6V

⑵当UI=35V，负载开路时，流过稳压管的电流

29mA＞IZM＝20.83mA，稳压管将因功耗过大而损坏。

【解1.7】：

解：

⑴要保证电路正常工作，流过稳压管的电流

应满足：

，即

，得允许输入电压的变化范围为

。

⑵同理，电路应满足

，得允许负载电流的变化范围

。

⑶当负载电流最小（为ILmin=10mA），输入电压最大时，流过稳压管的电流最大，应满足

得允许输入电压的最大值为：

当负载电流最大（为ILmax=15mA），输入电压最小时，流过稳压管的电流最小，应满足

得允许输入电压的最小值为：

所以负载电流在10~15mA范围内变化时，输入直流电压Ui的最大允许变化范围为