半导体二极管及其应用习题解答xx.docx

1、半导体二极管及其应用习题解答xx第1章半导体二极管及其基本电路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 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

2、主要参数V型号与选择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V内容提要半导体的基础知识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，N型半导体中的P型半导体。P型半

3、导体中的掺入杂质越多，多子浓度就越N型半导体 本征半导体中，掺入微量的五价元素构成多子是自由电子，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， 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。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础。2.PN结的单向导电性P

4、N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 ls(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；Ui=KT7q,为温度电压当量，在常温下， Ut26mV(1)正向特性 U 0的部分称为正向特性，如满足 UUt,则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的部分称为反向特性， 如满足U UT，则I Is,反向

5、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。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

6、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 1C, 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 oC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

7、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

8、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 a其值与静态工作点有关，即 rd U T /1 DQ。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。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

9、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 a(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

10、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. X 2. V 3. X 4. V 5. V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 BA.自由电子 B.空穴2. N型半导体 C

11、; P型半导体 C 。A.带正电 B.带负电有A、B、C三个二极管，测得它们的反向电流分别是分别为10mA、30mA、15mA。比较而言，哪个管子的性能最好【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 Un）,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

12、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，贝U 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VDi导通，VD?截止，UO=0V图（e）二极管VDi截止，VD导通，Uo= 9V 图（f）二极管VD导通，Uo=0V在图所示电路中，已知输入电压 ui=5sint（V），设二极管的导通电压 Uon=。分别画出它们的输

13、出电压 波形和传输特性曲线u=f（ u）。【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UvDUon，即Ui时，二极管导通，输出电压Uo=Ui；当UvDUon，即Ui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（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=Uio当UVCUon，即Ui时，二极管导通，输出电压Uo=;当UVDUon，即Ui时，二极管截止，输出电压 Uo=Ui。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（c）图所示电路中，当Ui时，二极管VDi导通，

14、输出电压Uo=；当Ui时，二极管VD2导通，输出电 压Uo=；当Ui时，VDi、VD2都截止，输出电压Uo=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。图解（c） 1图解（a） 1图解（b） 1Ui/V0.70.7ZT 一5 1 V0.7 50*7Ui/V图解（a） 2有两个硅稳压管, 图各个电路的输岀电压图解（b）VDz1、VDz2的稳定电压分别为图解（c） 226V和8V,正向导通电压为，稳定电流是 5mA。求+UoUo。+u。VD ziVDz22k Q 1 120V J(a)(d)(b)(e)(c)+Uo【解】： 图 a Uo=6V+8V=14V;1.7 已知

15、稳压管的稳定电压 Uz=6V,试求图所示电路中限流电阻 R的取值范围。Uo=6V+=;H c Uo=+=;图lzmin=5mA，最大功耗 PZM=150mW。最小稳定电流【解】：由题可知稳压管的最大稳定电流 lzmax流过稳压管的电流lz应满足:1 Zmin 1 z 1 Zmax限流电阻R的取值范围:稳压管稳压电路如|o、I及Iz的值。当Ui降低为15V时的Uo、图所示,稳压管的稳定电压Io、I及Iz的值。【解】：（1）由于 % uRl R20V2 2d Uo=;图 e Uo=；图 f Uo=6V。-PzM 150 mA=25mAUz 6，又因为：IzUz=8V,动态电阻10VUi UzRrz

16、可以忽略,Ui2kQ ,IzVD Z否空巴，由此可得RU|=20V。试求: Uo、Uo8V，稳压管处于稳压状态。故Uo Uz 8VUo-mA 4mA2UoRmA 6mA2IzI Io(6 4)mA 2 mA(2)由于 Rl UI 15VRl R 2 27.5V8V，稳压管没有击穿不能稳压，所以Uo7.5VmA 3.75mAIz=0习题在图所示电路图中，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。Ua=3V， Ub=0V。设二极管的导通电压 Uon=。【解】：(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Ua=Ub=0V;Y点电位:UY=Uon=。流过二

17、极管 VD1 和 VD2 的电流：I VD1 IVD2 4.65mA2 1k Q(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=。将VD1钳制在截止状态。流过二极管 VD1的电流IVD1 0，流过二极管VD2的电流 I VD210V O 9.3mA1kQ分析图所示电路中各二极管的工作状态，试求下列几种情况下输岀端 Y点的电位及流过各元件的电Ua=Ub=5V。二极管的导通电压 Uon=。【解】：(1)二极管VDi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VDi 和 VD2 的电流 | VD

18、1 I VD2 0。(2)二极管VDi正偏导通，所以输出端 丫点电位：UY=UA-Uon=。将VD2钳制在截止状态。流过二极管4 3 VVD1流过二极管VD1和VD2的电流IVD1 土3工4.3mA，流过二极管VD2的电流I VD2 O。1kQ(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=。2.15mA。2 1k Q流过二极管VDi和VD2的电流I VD1 I VD2在图所示电路中，已知 ui=1Osint (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）【解】：在（a）图所示电路中，当二极

19、管断开时，二极管两端的电压 UvD=5VUio当Uvd0,即Ui5V时，二极管导通，输出电压 Uo=5V;当UvdO，即Ui5V时，二极管截止，输出电压 Uo=Ui。输出电压的波形如图解（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 VDi两端的电压UvDi=Ui，VD2两端的电压UvD2=Ui3Vo 当Ui3v时，vD2导通，输出电压u=3v;当u0时，vDi导通，输出电压u=0；当0ui3v时，vD2、vDi都截 止，输出电压Uo=uio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，当极管断开时，

20、极管vDi两端的电压UvDi=5vui, vD2两端的电压UvD2=Ui3v。当Ui3v时，vD2导通，输出电压 Uo=3v；当ui5v时，vDi导通，输出电压 u=5v；当5vui3v时，vD2 vDi都截止，输出电压Uo=uio输出电压的波形如图解（c） i所示，传输特性如图解（c） 2所示vD2的性能均理想。条件是：Ui4V; VD2导通的条件是：Ui8Vo故Ui8V时，VDi导通，VD?截止，输出电压u=8V;VD i VD24VUi8V时，VDt VD2都导通，输出电压 uo=ui；输出电压的波形如图解(b)所示，传输特性如图解(c)所示。电路如图所示。输入电压 ui=iOsint

21、(mV)，二极管的导通电压 Un=，电容C对交流信号的容抗可忽 略不计。试计算输岀电压的交流分量。rdR2uo Ui /(R|rd R2图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lzmin=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 U。的值。若输入电压U=35V时负载开路，则会出现什么现象为什么图【解】：根据题意可知流过稳压管的最大稳定电流Izmax 竽 pmA 20.83mAUz 6当U|= 12V时，U|12 -0丄 V 4V UZ，稳压管未击穿。故Uo RL Ui 4VR

22、 Rl 1 0.5 R Rl当U|= 35V时，m 35 5 V 11.67V UZ，稳压管反向击穿，流过稳压管的电流为R R. 1 0.5, Ui UzUo35 6 6lz -17mARRl1 0.5因为-zmin-z-Zmax，所以稳压管能稳压，输出电压 Uo=Uz=6V 当Ui=35V，负载开路时，流过稳压管的电流 lz （U| Uz）R 29mAIzm=，稳压管将因功耗过大而损坏。图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lzma=30mA，最小稳定电流Izmin=10mA，限流电阻R=200o假设负载电流lL=15mA，则允许输入电

23、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 Ui=13V，则允许负载电流Il的变化范围为多大 如果负载电流也在一定范围变化，设 Il=1015mA，此时输入直流电压 Ui的最大允许变化范围为多大【解】：解： 要保证电路正常工作，流过稳压管的电流 lz Il应满足:R当负载电流最小（为lLmin = 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： Ulmax 14V当负载电流最大（为lLma=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： u lmin 11V所以负载电流在1015mA范围内变化时，输入直流电压 U的最大允许变化范围为11V Ui 14V