第1章__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

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2?A、0.5?A、5?A；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UO，设二极管的性能理想。

1

VD +5V3kΩUO? 5V3kΩ+VDUO7V? VD5V3kΩ1V +UO?

（a） （b） （c）

VD1VD2+VD1VD2+ +3kΩUO9V5V?3kΩUOVD2kΩ10V6V?.7V3kΩ5VUO_

（d） （e） （f）

图P1.4

【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

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。⑴UA=UB=0V；⑵UA=3V，UB=0V。设二极管的导通电压Uon=0.7V。 【解1.2】：（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：

IVD1?IVD2?110V?0.7V?4.65mA

21kΩ（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IVD1?0，流过二极管VD2的电流IVD2?10V?0.7V?9.3mA 1kΩ 2

10V VD1AVD2BY1kΩVD1AVD2BY1kΩ

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。⑴UA=UB=0V；⑵UA=5V，UB=0V；⑶UA=UB=5V。二极管的导通电压Uon=0.7V。 【解1.3】：（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IVD1?IVD2?0。

（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IVD1?流过二极管VD2的电流IVD2?0。

（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

IVD1?IVD2?14.3V?2.15mA。 21kΩ4.3V?4.3mA,1kΩ1.4 在图P1.4所示电路中，已知输入电压ui=5sin?t（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）。

VD+ui?+3kΩ?+uo?+ui?+VD+uo?+ui?3kΩ+?VD1VD2+uo?UVD3kΩUVD?UVD1?UVD2+

（a） （b） （c）

图P1.4

【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?Uon，即ui?0.7V时，二极管截止，输出电压uo=0。输出电压的波形如图解P1.4（a）1所示，传输特性如图解P1.4（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?Uon，即ui?0.7V时，二极管截止，输出电压uo=ui。输出电压的波形如图解1.4P（b）1所示，传输特性如图解1.4P（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?ui?0.7V时，VD1、VD2都截止，输出电压uo=ui。输出电压的波形如图解1.4P（c）1所示，传输特性如图解1.4P（c）2所示。

3

ui/V50.70ui/V50.70ui/V5tt0.7?0.7tuououo4.3t0.70t00.7?0.7t

图解T1.4（a）1 图解T1.4（b）1 图解T1.4（c）1

uo/Vuo/Vuo/V4.300.75?50.70.7?55?0.7?5?0.70.70.75ui/Vui/Vui/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）。

2kΩ +ui5V__ _VD+uo+uiVD2VD13V_ _+uo2kΩ +VD1ui5VVD23V+uo_ 2kΩ

（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P1.5（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P1.5（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

4

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P1.5（c）1所示，传输特性如图解P1.5（c）2所示

ui/V1050t3?0.7tui/V10ui/V1030?5tuo/Vuo/Vuo/V1050t3030?5tt

图解P1.5（a）1 图解1.5P（b）1 图解P1.5（c）1

uo/Vuo/Vuo/V105?100510ui/V3010ui/V?10?5303?510ui/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ui=10sin?t（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。

VD1+ui_10kΩR12V20kΩR28V_ _VD2 +uo+uii110kΩR12Vi220kΩR28V_ +uoiD1VD1iD2VD2

图P1.6 图解P1.6 (a)

【解1.6】：设流过VD1、VD2、R1、R2的电流分别为iD1、iD2、i1、i2，参考方向如图解1.6P(a)所示。当VD1、VD2均导通时

iD2?i2?8?ui8?ui?R220，iD1??(i1?iD2)??(8?ui2?ui3u?12?)?i，由此可得，VD1R2R120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?8V时，VD1、VD2都导通，输出电压uo=ui；

ui?4V时，VD1截止，VD2导通，输出电压uo?8?2?10?2?4V。 20?10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。

5

ui/V10840tuo/Vuo840t?108ui/V04810

图解P1.6(b) 图解P1.6(c)

1.7 电路如图P1.7所示。输入电压ui=10sin?t（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。

【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

IDQ?10?0.7mA?1.8mA， 5.126(mV)26?Ω?14.4Ω

IDQ(mA)1.8由此可估算出二极管VD的动态电阻为：rd?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P1.7。由图可求得输出电压的交流分量为

uo?ui?C+ui10V_25Ω R1VD5.1kΩR2+uo_ +ui_R1rd5.1kΩR2+uo_ rdR2rRr/(R1?d2)?ui?d?3.65sin?t（mV） rd?R2rd?R2R1?rd25Ω

图P1.7 图解P1.7

1.8 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P1.8各个电路的输出电压UO。

2kΩ +VDz120VVDz2? UO20VVDz2? VDz1UO20VVDz2+VDz1UO? 2kΩ +2kΩ

（a） （b） （c）

2kΩ +VDz120VVDz2UO? 20VVDz1VDz2UO? 20V+VDz1VDz2UO? 2kΩ +2kΩ

（d） （e） （f）

图P1.8

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

6

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

1.9 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P1.9所示电路中限流电阻R的取值范围。

PZM150I??【解1.9】：由题可知稳压管的最大稳定电流ZmaxmA=25mA

UZ6U?UZ15V?6V?流过稳压管的电流IZ应满足：IZmin?IZ?IZmax，又因为：IZ?I，

RR由此可得限流电阻R的取值范围：0.36k??R?1.8k?

1.10 图P1.10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=1k?，负载电阻RL=500?。 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？

R+UI_VDZRL+UO_

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

P125IZmax?ZM?mA?20.83mA

UZ6当UI＝12V时，UIRL0.5?12?V?4V?UZ，稳压管未击穿。故R?RL1?0.5UO?RL?UI?4V

R?RL当UI＝35V时，UI的电流为

IZ?RL0.5?35?V?11.67V?UZ，稳压管反向击穿，流过稳压管R?RL1?0.5UI?UZUO35?66????17mA RRL10.5因为IZmin?IZ?IZmax，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IZ?(UI?UZ)R?29mA＞IZM＝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UZ=6V，最大稳定电流IZmax=30mA，最小稳定电流IZmin=10mA，限流电阻R=200?。

7

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1.11】：解：⑴ 要保证电路正常工作，流过稳压管的电流IZ?UI?UZ?IL应满足：RIZmin?IZ?IZmax，即10mA?UI?6?15?30mA，得允许输入电压的变化范围为

0.211V?UI?15V。

⑵ 同理，电路应满足10mA?5mA?IL?25mA。

13?6?IL?30mA，得允许负载电流的变化范围0.2⑶ 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

UImax?UZ?ILmin?IZmax

R得允许输入电压的最大值为：UImax?14V

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

UImin?UZ?ILmax?IZmin R得允许输入电压的最小值为：UImin?11V

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

11V?Ui?14V

8

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