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第1章__半导体二极管及其应用习题解答资料

第1章半导体二极管及其基本电路

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?

【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。

题习题1

1.1 试求图P1.1所示各电路的输出电压值U O,设二极管的性能理想。

5V

VD

+

-3k Ω

U O

VD

7V

5V +

-3k Ω

U O

5V

1V

VD +-3k ΩU O

(a ) (b ) (c )

10V

5V

VD

3k Ω+

.

_O U 2k Ω6V

9V

VD VD +

-

12

3k Ω

U O

VD VD 5V

7V

+

-

12

3k Ω

U O

(d ) (e ) (f )

图P 1.4

【解 1.1】: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U on ),二极管正偏导通,导通时压降为0(对于理想二极管)或U on (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U on ),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,U O =5V 图(b) 二极管VD 导通,U O = -7V 图? 二极管VD 截止,U O = -1V

图(d) 二极管VD 1导通,VD 2截止,U O =0V 图(e) 二极管VD 1截止,VD 2导通,U O = -9V 图(f) 二极管VD 导通,U O =0V

1.2 在图P1.2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。⑴U A =U B =0V ;⑵U A =3V ,U B =0V 。设二极管的导通电压U on =0.7V 。 【解1.2】:(1)二极管VD 1和VD 2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:U Y =U on =0.7V 。流过二极管VD 1和VD 2的电流:

m A 65.4k Ω

1V

7.0V 1021VD2VD1=-=

=I I

(2)二极管VD 1和VD 2均承受正向电压,但VD 2承受的正向电压大,VD 2优先导

通。所以输出端Y 点电位:U Y =U on =0.7V 。将VD 1钳制在截止状态。流过二极管VD 1的电流0VD1=I ,流过二极管VD 2的电流m A 3.9k Ω

1V

7.0V 10VD2=-=

I

1k Ω

Y

A

B

VD VD 1

2

10V 1k Ω

Y

A

B

VD VD 1

2

图P1.2 图P1.3

1.3 分析图P1.3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。⑴U A =U B =0V ;⑵U A =5V ,U B =0V ;⑶U A =U B =5V 。二极管的导通电压U on =0.7V 。 【解1.3】:(1)二极管VD 1和VD 2均处于零偏状态,所以都截止。输出端Y 点电位:U Y =0。流过二极管VD 1和VD 2的电流0VD2VD1==I I 。

(2)二极管VD 1正偏导通,所以输出端Y 点电位:U Y =U A -U on =5V-0.7V=4.3V 。将VD 2钳制在截止状态。流过二极管VD 1流过二极管VD 1和VD 2的电流m A 3.4k Ω

1V

3.4VD1==I ,流过二极管VD 2的电流0VD2=I 。

(3)二极管VD 1和VD 2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:U Y =U A -U on =5V-0.7V=4.3V 。流过二极管VD 1和VD 2的电流

m A 15.2k Ω

1V

3.421VD2VD1==

=I I 。 1.4 在图P1.4所示电路中,已知输入电压u i =5sin ωt (V ),设二极管的导通电压U on =0.7V 。分别画出它们的输出电压波形和传输特性曲线u o =f (u i )。

3k Ω

VD VD 1

2

++-

-

u u i o 3k Ω

VD +

+-

-

u u i o 3k Ω

VD

++-

-

u u i o +

+

+

-

-

-

-

U VD

U VD

+

U VD1

U VD2

(a ) (b ) (c )

图P 1.4

【解1.4】:在(a )图所示电路中,当二极管断开时,二极管两端的电压U VD =u i 。当U VD ≥U on ,即u i ≥0.7V 时,二极管导通,输出电压u o =u i -0.7V ;当U VD

在(b )图所示电路中,当二极管断开时,二极管两端的电压U VD =u i 。当U VD ≥U on ,即u i ≥0.7V 时,二极管导通,输出电压u o = 0.7V ;当U VD

在(c )图所示电路中,当u i ≥0.7V 时,二极管VD 1导通,输出电压u o =0.7V ;当u i ≤-0.7V 时,二极管VD 2导通,输出电压u o =-0.7V ;当-0.7V

第1章__半导体二极管及其应用习题解答资料

t t

第1章__半导体二极管及其应用习题解答资料

t

t

第1章__半导体二极管及其应用习题解答资料

t

t -

图解T1.4(a)1 图解T1.4(b)1

第1章__半导体二极管及其应用习题解答资料

图解T1.4(c)

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1

u i/V i

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/V i/V

图解T1.4(a)2 图解T1.4(b)2 图解T1.4(c)2

1.5 在图P1.3所示电路中,已知u i=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u o=f(u i)。

+

_

u

o

VD

VD2

1

2kΩ

+

_

u i

3V

+

_

u o

VD

VD2

1

+

_

u i

2kΩ

5V

3V

+

_

u o

VD

2kΩ

+

_

u i

5V

(a)(b)(c)

图P1.5

【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 VD=5V-u i。

当U VD>0,

即u i<5V时,二极管导通,输出电压u o=5V;当U VD≤0,即u i≥5V时,二极管截止,输出电压u o=u i。输出电压的波形如图解P1.5(a)1所示,传输特性如图解P1.5(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U VD1=-u i,VD2两端的电压U VD2=u i-3V。当u i>3V时,VD2导通,输出电压u o=3V;当u i<0时,VD1导通,输出电压u o=0;当0≤u i≤3V时,VD2、VD1都截止,输出电压u o=u i。输出电压的波形如图解P1.5(b)1所示,传输特性如图解P1.5(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U VD1=-5V-u i,VD2两端的电压U VD2=u i-3V。当u i>3V时,VD2导通,输出电压u o=3V;当u i<-5V时,VD1

导通,输出电压u o =-5V ;当-5V ≤u i ≤3V 时,VD 2、VD 1都截止,输出电压u o =u i 。输出电压的波形如图解P1.5(c )1所示,传输特性如图解P1.5(c )2所示

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t

t

t

t -

t

t

图解P1.5(a )1 图解1.5P (b )1

图解P1.5(c )1

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u

i /V

i /V

u i /V

图解1.5(a )2 图解1.5(b )2 图解1.5(c )2

1.6 图P1.4所示为一限幅电路,输入电压u i =10sin ωt (V ),试画出输出电压的波形和传输特性曲线。设VD 1、VD 2的性能均理想。

+_u o

+_

u i 8V

10k Ω20k ΩR R 12VD VD 12

2V

__

8V

VD VD 1

2V

图P1.6 图解P1.6 (a)

【解1.6】:设流过VD 1、VD 2、R 1、R 2的电流分别为i D1、i D2、i 1、i 2,参考方向如图解1.6P(a)所示。当VD 1、VD 2均导通时

20

88i

2i 2D2u R u i i -=-=

=,20

12

3)28(

)(i 1i 2i 2D 1D1-=-+--=+-=u R u R u i i i ,由此可得,VD 1导通的

条件是:u i >4V ;VD 2导通的条件是:u i <8V 。故u i ≥8V 时,VD 1导通,VD 2截止,输出电

压u o =8V ;

4V

u i ≤4V 时,VD 1截止,VD 2导通,输出电压V 421010

202

8o =+?+-=

u 。 输出电压的波形如图解P1.6((b )所示,传输特性如图解P1.6(c)所示。

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i /V

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t

t

图解P1.6(b) 图解P1.6(c)

1.7 电路如图P1.7所示。输入电压u i =10sin ωt (mV ),二极管的导通电压U on =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。

【解 1.7】:只有直流电压作用时,电容C 开路,流过二极管的电流为

8.1m 1

.57

.010DQ =-=

A I mA , 由此可估算出二极管VD 的动态电阻为:Ω4.14Ω8

.126

)mA ()mV (26Q D d ===

I r

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r d 代替,此时,电路可等效为图解P1.7。由图可求得输出电压的交流分量为

t r R r

u R r R r R R r R r u u d

d ω=+?≈+++?

=sin 65.3)/(1i 2d 2d 12d 2d i o (mV )

+_u o +_

u i

5.1k ΩR 2

10V

25Ω

R 1VD

C

+_u o +_

u i 5.1k ΩR 2

25Ω

R 1

r d

图P1.7 图解P1.7

1.8 有两个硅稳压管,VD Z1、VD Z2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P1.8各个电路的输出电压U O 。

20V

+

-2k Ω

U O

VD VD z1

z2

20V

+

-U O

VD VD z1

z2

2k Ω

20V

+

-U O VD VD z1

z2

2k Ω

(a ) (b ) (c )

20V

+

-U O VD VD z1

z2

2k Ω

20V

+

-U O VD VD z1

z2

2k Ω

20V

+

-U O VD VD z1

z2

2k Ω

(d ) (e ) (f )

图P1.8

【解 1.6】:图 a U O =6V+8V=14V ;图 b U O =6V+0.7V=6.7V ;图 c

U O =0.7V+0.7V=1.4V ;图d U O =0.7V ;图e U O =0.7V ;图f U O =6V 。

1.9 已知稳压管的稳定电压U Z =6V ,最小稳定电流I Zmin =5mA ,最大功耗P ZM =150mW 。

试求图P1.9所示电路中限流电阻R 的取值范围。

【解1.9】:由题可知稳压管的最大稳定电流6

150

Z ZM Zmax ==U P I mA=25mA

流过稳压管的电流I Z 应满足:Zmax Z Zmin I I I <<,又因为:R

R

U U I V

6V 15Z I Z -=-=,

由此可得限流电阻R 的取值范围:0.36k Ω

1.10 图P1.10所示稳压管稳压电路中,稳压管的稳定电压U Z =6V ,最小稳定电流I Zmin =5mA ,最大功耗P ZM =125mW 。限流电阻R =1k Ω,负载电阻R L =500Ω。 ⑴ 分别计算输入电压U I 为12V 、35V 三种情况下输出电压U o 的值。 ⑵ 若输入电压U I =35V 时负载开路,则会出现什么现象?为什么?

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图P1.10

【解1.10】:⑴ 根据题意可知流过稳压管的最大稳定电流

mA 83.20mA 6

125

Z ZM Zmax ===U P I

当U I =12V 时,Z L L I

V 4V 5

.015.012U R R R U <=+?=+,稳压管未击穿。故V 4I L

L

O =?+=

U R R R U

当U I =35V 时,Z L L I V 67.11V 5

.015

.035U R R R U >=+?=+,稳压管反向击穿,流过稳压管的电流为

mA 175

.06

1635L O Z I Z =--=--=

R U R U U I 因为Zmax Z Zmin I I I <<,所以稳压管能稳压,输出电压U O =U Z =6V

⑵ 当U I =35V ,负载开路时,流过稳压管的电流=-=R U U I )(Z I Z 29mA >I ZM =20.83mA ,稳压管将因功耗过大而损坏。

1.11 图1.11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U Z =6V ,最大稳定电流I Zmax =30mA ,最小稳定电流I Zmin =10mA ,限流电阻R =200Ω。

⑴ 假设负载电流I L =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U I =13V ,则允许负载电流I L 的变化范围为多大?

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

【解1.11】:解:⑴ 要保证电路正常工作,流过稳压管的电流L Z

I Z I R

U U I --=

应满足:Zmax Z Zmin I I I ≤≤,即m A 30152.06m A 10I ≤--≤U ,得允许输入电压的变化范围为

V 15V 11I ≤≤U 。

⑵ 同理,电路应满足m A 302

.06

13m A 10L <--<

I ,得允许负载电流的变化范围mA 25mA 5L ≤≤I 。

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

max Lmin Z

Imax Z I I R

U U ≤--

得允许输入电压的最大值为:V 14Imax ≤U

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

min Lmax Z

Imin Z I I R U U ≥-- 得允许输入电压的最小值为:V 11Imin ≥U

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

V 14V 11i ≤≤U