模擬電路第一章常用半導體器件

1、模擬電子線路教、學指導與習題詳解楊 凌第1章 常用半導體器件1.1教 學 要 求1.1.1 半導體物理基礎(chǔ)知識1、熟悉本征半導體、雜質(zhì)半導體、施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)、多子、少子、漂移、擴散的概念；2、熟悉PN結(jié)的形成機理和基本特性單向?qū)щ娦?、擊穿特性、電容效?yīng)。1.1.2 晶體二極管1、了解二極管的結(jié)構(gòu)、分類、符號、主要參數(shù)；2、熟悉二極管的幾種模型表示數(shù)學模型、曲線模型、簡化電路模型，掌握各種模型的特點及應(yīng)用場合；3、熟悉二極管電路的三種分析方法圖解法、簡化分析法、小信號分析法。能熟練運用簡化分析法分析各種功能電路；4、了解幾種特殊二極管的性能。1.1.3 晶體三極管1、了解三極管的結(jié)構(gòu)、分類、

2、符號、熟悉其主要參數(shù)及溫度對參數(shù)的影響；2、掌握三極管在放大狀態(tài)下的電流分配關(guān)系；3、熟悉三極管處在放大、飽和、截止三種工作狀態(tài)下的條件及特點；4、熟悉三極管的幾種模型表示數(shù)學模型、共射曲線模型、直流簡化電路模型、小信號電路模型，掌握各種模型的特點及應(yīng)用場合；5、熟悉三極管放大電路的三種分析方法圖解法、估算法、小信號等效電路分析法。能熟練運用估算法判斷三極管的工作狀態(tài)。1.1.4 場效應(yīng)管1、了解場效應(yīng)管的工作原理，理解場效應(yīng)管中預夾斷的概念；2、熟悉場效應(yīng)管的幾種模型表示數(shù)學模型、曲線模型、直流簡化電路模型、小信號電路模型，掌握各種模型的特點及應(yīng)用場合；3、熟悉放大狀態(tài)下幾種場效應(yīng)管的外部工

3、作條件；4、熟悉場效應(yīng)管與三極管之間的異同點；1.2 基本概念和內(nèi)容要點1.1.1半導體物理基礎(chǔ)知識半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間，其導電能力隨溫度、光照或所摻雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導體的導電能力和導電類型，因而半導體廣泛應(yīng)用于各種器件及集成電路的制造。1、本征半導體（1）高度提純、幾乎不含任何雜質(zhì)的半導體稱為本征半導體。硅（Si）和鍺（Ge）是常用的半導體材料，均屬四價元素，原子序號分別為14和32，它們的原子最外層均有四個價電子，與相鄰四個原子的價電子組成共價鍵。制造半導體器件的硅和鍺材料被加工成單晶結(jié)構(gòu)。圖1.1（a）、（b）分別是硅、鍺原子的簡化模型和它們的晶

4、體結(jié)構(gòu)平面示意圖。+4+4+4+4+4+4+4+4+4（b）（a）圖1.1（2）本征激發(fā)共價鍵中的價電子受激發(fā)獲得能量并擺脫共價鍵的束縛而成為“自由電子”（簡稱電子），并在原共價鍵的位置上留下一個“空位”（稱空穴），這一過程稱為本征激發(fā)。熱、光、電磁輻射等均可導致本征激發(fā)，但熱激發(fā)是半導體材料中產(chǎn)生本征激發(fā)的主要因素。本征激發(fā)產(chǎn)生成對的電子和空穴。（3）復合電子被共價鍵俘獲，造成電子空穴對消失，這一現(xiàn)象稱為復合。 （4）載流子電子和空穴均是能夠自由移動的帶電粒子，稱為載流子?？梢?，半導體中存在兩種類型的載流子。（5）熱平衡載流子濃度當溫度一定時，半導體中本征激發(fā)和復合在某一熱平衡載流子濃度值上

5、達到動態(tài)平衡。該濃度值為：ni =pi=AT3/2eEg0/2kT （11）3.88×1016cm3K3/2 （Si）1.76×1016cm3K3/2 （Ge）A =1.21eV （Si）0.785eV（Ge）Eg0(T=0K時的禁帶寬度) =式中：k（玻爾茲曼常數(shù)）= 8.63×105 eV/Kni、pi與T成指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高而迅速增大。室溫下（T=300K即27oC），ni1.5×1010 cm3 （Si）2.4×1013 cm3 （Ge）ni的數(shù)值雖然很大，但它僅占原子密度（硅的原子密度為4.96×1022 cm3）很小的百

6、分數(shù)，故本征半導體的導電能力很弱（本征硅的電阻率約為2.2×105·cm）。2、雜質(zhì)半導體在本征半導體中，摻入一定量的雜質(zhì)元素，就成為雜質(zhì)半導體。（1）N型半導體（電子型半導體）在本征半導體（硅或鍺）中摻入五價施主雜質(zhì)（如磷、砷）而成。其中多子是電子，少子是空穴，還有不能自由移動（不參與導電）的正離子。（2）P型半導體（空穴型半導體）在本征半導體（硅或鍺）中摻入三價受主雜質(zhì)（如硼、銦）而成。其中多子是空穴，少子是電子，還有不能自由移動（不參與導電）的負離子。（3）雜質(zhì)半導體中，多子的濃度取決于摻雜的多少，其值幾乎與溫度無關(guān)；且少量的摻雜便可導致載流子幾個數(shù)量級的增加，故雜質(zhì)

7、半導體的導電能力顯著增大。而少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度主要取決于溫度，少子濃度具有溫度敏感性。（4）轉(zhuǎn)型在N型半導體中摻入比原有的五價雜質(zhì)元素更多的三價雜質(zhì)元素，可轉(zhuǎn)型為P型；在P型半導體中摻入足夠的五價雜質(zhì)元素，可轉(zhuǎn)型為N型。（5）半導體的兩種導電機理 漂移和擴散載流子在外電場作用下的定向運動稱為漂移運動，所形成的電流稱為漂移電流。漂移電流的密度為：Jt = Jpt + Jnt = q(pp+nn)EE式中，p、n分別為空穴和電子的濃度；q是電子電荷量；p、n分別為空穴和電子的遷移率（遷移率影響半導體器件的工作頻率）；E為外加電場強度。因濃度差而引起的載流子的定向運動稱為擴散運動，所形成的電

8、流稱為擴散電流。電子和空穴的擴散電流密度分別為：dn(x) dp(x)J nd = qDn （負值） J pd =qDp （正值）dx dx式中，Dn 、Dp分別為電子和空穴的擴散系數(shù)；dn(x) / dx、dp(x) / dx分別為電子和空穴的濃度梯度。3、PN結(jié)（1）PN結(jié)的形成將一種雜質(zhì)半導體（N型或P型）通過局部轉(zhuǎn)型，使之分成N型和P型兩個部分，在交界面處出現(xiàn)了載流子的濃度差，導致多子互相擴散，從而形成了PN結(jié)，其過程如下：載流子濃度差 多子擴散 電中性被破壞 空間電荷區(qū)（內(nèi)電場）當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時 形成一定厚度的PN結(jié)。阻礙多子擴散利于少子漂移內(nèi)建電場E圖1.2 PN

9、結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)如圖1.2所示。（2）PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉珪r，外電場削弱內(nèi)電場，PN結(jié)變薄，勢壘降低，利于多子擴散，不利于少子漂移，由多子擴散形成的大的正向電流。PN結(jié)呈現(xiàn)低阻，處于正向?qū)顟B(tài)。反偏時，外電場增強內(nèi)電場，PN結(jié)變厚，勢壘提高，不利于多子擴散，但利于少子漂移，由少子漂移形成很小的反向電流。PN結(jié)呈現(xiàn)高阻，處于反向截止狀態(tài)。（3）PN結(jié)的擊穿特性當加在PN 結(jié)上的反偏壓超過一定數(shù)值時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿。按擊穿機理的不同，擊穿可分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種。齊納擊穿發(fā)生于重摻雜的PN結(jié)中，擊穿電壓較低（4V）且具有負的溫度系數(shù)；雪崩擊穿發(fā)生于輕摻雜的PN

10、結(jié)中，擊穿電壓較高（4V6V）且具有正的溫度系數(shù)。當PN結(jié)擊穿后，若降低反偏壓，PN結(jié)仍可恢復，這種擊穿稱為電擊穿。電擊穿是可以利用的，穩(wěn)壓二極管便是根據(jù)這一原理制成的。當PN結(jié)擊穿后，若繼續(xù)增大反偏壓，會使PN結(jié)因過熱而損壞，這種擊穿稱為熱擊穿。熱擊穿是要力求避免的。ISV/VI/mAVBRVD(on)O（4）PN結(jié)的伏安特性如圖1.3所示。I =IS(eV/VT1) （12）式中：IS PN結(jié)的反向飽和電流；VT 溫度的電壓當量(熱電壓)。kTVT = （13）q室溫下, VT 26mV圖1.3 PN結(jié)的伏安特性（5）PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)電容Cj由勢壘電容CT和擴散電容CD組成（Cj =

11、CT +CD）。正偏時擴散電容為主；反偏時勢壘電容為主。利用勢壘電容效應(yīng)可制成變?nèi)荻O管。1.1.2晶體二極管晶體二極管是由一個PN結(jié)，再加上電極、引線封裝而成，簡稱二極管。1、二極管的結(jié)構(gòu)、類型、符號表1.1示出了二極管的分類及用途。表1.1分 類 方 法主 要 類 型制 作 工 藝合金型二極管；擴散型二極管；合金擴散型二極管；平面型二極管；外延型二極管結(jié) 構(gòu) 形 態(tài)點接觸二極管；面接觸二極管；臺面二極管；肖特基勢壘二極管；PIN二極管；體效應(yīng)二極管；雙基極二極管；雙向二極管應(yīng)用范圍普 通 應(yīng) 用檢波二極管；整流二極管；穩(wěn)壓二極管；開關(guān)二極管；恒流二極管光 電 應(yīng) 用光電二極管；太陽能電池；

12、發(fā)光二極管；激光二極管微 波 應(yīng) 用變?nèi)荻O管；階躍恢復二極管；崩越二極管；隧道二極管；肖特基勢壘二極管；體效應(yīng)二極管敏 感 應(yīng) 用溫敏二極管；磁敏二極管；力敏二極管；氣敏二極管；濕敏二極管；光敏二極管其中，點接觸型和平面型二極管是常用的兩種。前者結(jié)面積小，結(jié)電容小，適用于高頻、小電流的場合，如檢波電路；后者的形式較多，有結(jié)面積大的，因此結(jié)電容也大，適用于低頻、大電流的場合，如整流電路。二極管的符號如圖1.4所示。圖1.4 二極管的符號 ER2、二極管的伏安特性二極管的伏安特性與PN結(jié)的伏安特性基本相同。3、二極管的主要電參數(shù)（1）直流參數(shù)最大整流電流IF；正向壓降VDF；反向電流IR；反向擊

13、穿電壓VBR；直流電阻RD。（2）交流參數(shù)交流電阻rd；結(jié)電容Cj；最高工作頻率f M。每一型號的二極管，在技術(shù)手冊中總是以極值給出上述參數(shù)。（3）溫度對二極管參數(shù)的影響溫度每升高10oC，IR增大一倍；溫度每升高1oC，VDF減?。?2.5）mV。4、幾種特殊的二極管（1）硅穩(wěn)壓二極管符號、伏安特性如圖1.5所示。主要參數(shù)穩(wěn)定電壓VZ；穩(wěn)定電流IZ；動態(tài)電阻rZ；最大穩(wěn)定電流IZM；耗散功率PZM及VZ的溫度系數(shù)V。V/VI/mAVZIZminOIZmaxIZ圖1.6 變?nèi)荻O管的符號圖1.5 穩(wěn)壓管的符號及VI特性（2）變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是應(yīng)用十分廣泛的一種半導體器件。例如，諧振回路的電

14、調(diào)諧；壓控振蕩器；頻率調(diào)制；參量電路等。其符號如圖1.6所示。（3）發(fā)光二極管（LED）光二極管是將電能轉(zhuǎn)換為光能的一種半導體器件。廣泛用來構(gòu)成七段數(shù)字顯示器。其符號如圖1.7所示。（4）光敏二極管光敏二極管是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種半導體器件。其符號如圖1.8所示。D1D2輸入輸出圖1.7 發(fā)光二極管圖1.8 光敏二極管圖1.9 光電耦合器（5）光電耦合器光電耦合器是由發(fā)光器件和光敏器件組成的一種器件。它是用光傳輸信號的電隔離器件，應(yīng)用十分廣泛。如圖1.9所示。1.1.3晶體三極管（BJT）晶體三極管也稱為雙極型晶體管，簡稱晶體管或三極管。1、結(jié)構(gòu)、符號、分類（1）結(jié)構(gòu)、 符號PNPEBCJe

15、Jc發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)NPNEBCJeJc發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)三極管有三個區(qū)發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)；三根電極發(fā)射極E、基極B、集電極C；兩個結(jié)發(fā)射結(jié)Je、集電結(jié)Jc。其結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)的符號如圖1.10所示。CBECBE（a）NPN型三極管（b）PNP型三極管圖1.10 三極管的結(jié)構(gòu)及符號結(jié)構(gòu)特點：發(fā)射區(qū)重摻雜；基區(qū)很?。患妳^(qū)輕摻雜且集電結(jié)面積大。這正是三極管具有放大作用的內(nèi)部物質(zhì)基礎(chǔ)。（2）分類按結(jié)構(gòu)不同可分為NPN型和PNP型；按材料不同可分為硅管和鍺管；按照工作頻率分可分為高頻管、低頻管等；按照功率分，可分為大、中、小功率管等。其封裝形式有金屬封裝、玻璃封裝和塑料封裝等。2、放大作用和電流分配

16、關(guān)系（1）直流偏置條件Je正偏、Jc反偏。這是三極管實現(xiàn)放大所需要的外部條件。（2）直流電流分配關(guān)系IE = IC + IBIC =IB +ICEO（14）ICEO= (1+) ICBO3、伏安特性曲線（1）共射輸入特性曲線 iB =f(vBE)vCE一定如圖1.11（a）所示。vCE從零增大到約1V，曲線逐漸右移（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)）；當vCE1V后，曲線幾乎不再移動。因此，在工程分析時，近似認為輸入特性曲線是一條不隨vCE而移動的曲線。0 2 4 6 8 1040A80A60AiB=20A放大區(qū)擊穿區(qū)iC/mA1 2 3 4 vCE/V飽和區(qū)100AiB=ICBOVBR（CEO）截止區(qū)vCE

17、1VvCE=0V20 40 60 80 vBE/ViB/A0 0.2 0.4 0.6 0.8（b） 共射輸出特性曲線（a） 共射輸入特性曲線圖1.11 三極管的VI特性曲線（2）共射輸出特性曲線 iC =f(vCE)iB一定如圖1.11（b）所示。整個曲線族可劃分為四個區(qū)域。放大區(qū)：Je正偏、Jc反偏。iC主要受iB的控制，由于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的影響，當iB一定，而vCE增大時，iC略有增加。曲線上翹的程度與厄爾利電壓VA的大小有關(guān)。截止區(qū)：Je、Jc均反偏。iB =ICBO的那條曲線與橫軸間的區(qū)域。iB 0，iC 0。飽和區(qū)：Je、Jc均正偏。對應(yīng)于不同iB的輸出特性曲線幾乎重合，iC不受i

18、B控制,只隨vCE增大而增大。擊穿區(qū)：隨著vCE增大，Jc的反偏壓增大。當vCE增大到一定值時，Jc反向擊穿，造成iC劇增。集電極反向擊穿電壓VBR(CEO)隨iB的增大而減小。4、主要參數(shù)（1）直流參數(shù)共基極直流電流放大系數(shù)；共射極直流電流放大系數(shù)；極間反向電流ICBO、ICEO。（2）交流參數(shù)共基極交流電流放大系數(shù)；共射極交流電流放大系數(shù)；共基極截止頻率f0；共射極截止頻率f；特征頻率fT。（3）極限參數(shù)集電極最大允許電流ICM ；集電極最大允許耗散功率PCM ；擊穿電壓VBR(CEO)、VBR(CBO)、VBR(EBO)。通常將ICM 、PCM 、VBR(CEO)三個參數(shù)所限定的區(qū)域稱為

19、三極管的安全工作區(qū)。（4）溫度對三極管參數(shù)的影響嚴格來講，溫度對三極管的所有參數(shù)幾乎都有影響，但受影響最大的是、ICBO、VBE。溫度每升高1oC，值增大0.5%1%；溫度每升高1oC，VBE減?。?2.5）mV；溫度每升高10oC，ICBO約增大一倍，即ICBO(T2) = ICBO(T1)×2(T2T1)/105、電路模型（1）放大狀態(tài)下三極管的模型數(shù)學模型iCIS(evBE/VT1) （15）其中IS =IEBS，IS是指發(fā)射極反向飽和電流IEBS轉(zhuǎn)化到集電極上的電流值。IBICIBVBE(on)+e+VCEb+VBEc圖1.12 直流簡化電路模型如圖1.12所示。圖中，VBE

20、(on)稱為發(fā)射結(jié)導通電壓。0.7V（硅管）0.20.3V（鍺管）VBE(on)=交流小信號電路模型如圖1.13所示。（b） 高頻電路模型eibic+vbebrce+vceb+vbegmvbe=ibcrberbbCbcCberbbibice+vbebrce+vceb+vbegmvbe=ibcrbe（a） 低頻電路模型圖1.13 VT rbe=(1+) IEQ （16）圖中，= gmrbe （17）gmICQ/VT（18）rce=VA/ICQ （19）rbb為基區(qū)體電阻，其值較小，約幾十歐姆，常忽略不計。（2）飽和與截止狀態(tài)下三極管的模型如圖1.14所示。eIC0IB0bcVCE(sat)+VB

21、E(on)ICIB+e+VCEb+VBEc（b） 截止狀態(tài)（a） 飽和狀態(tài)圖1.14 VCE(sat)0.3V（硅管）0.1V（鍺管）圖中，VCE(sat)稱為稱為三極管的飽和壓降。1.1.4場效應(yīng)管（FET）晶體場效應(yīng)管又稱為單極型晶體管，它是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的半導體器件，具有輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性好、噪聲低、抗輻射能力強、集成度高、成本低等特點，因此已成為當今集成電路的主流器件。1、分類、符號、特性曲線場效應(yīng)管的分類及符號見圖1.15所示。FET JFET MOSFET N溝道P溝道GDSGDSGDSBGDSBGDSBGDSBN溝道N溝道P溝道P溝道增強型耗進型圖1.15 場效應(yīng)

22、管的分類及符號各種場效應(yīng)管的特性曲線如圖1.16所示。0 vGS/ViD/mA4321 0 可變電阻區(qū)2101 2 2345 6 結(jié)型耗盡型P溝道增強型0123 4 2101 2 6543 2 結(jié)型耗盡型增強型N溝道VGS(th)ID0vGS/ViD/mA0 結(jié)型P溝道結(jié)型N溝道IDSS耗盡型P溝道增強型P溝道耗盡型N溝道增強型N溝道（b）輸出特性（a） 轉(zhuǎn)移特性圖1.16 各種場效應(yīng)管的特性曲線2、放大狀態(tài)下場效應(yīng)管的電路模型（1）數(shù)學模型對JFET和耗進型MOSFET：vGS 2 iD=IDSS 1VGS(off) （110）對增強型MOSFET：（111）nCOXW iD= (vGSVG

23、S(th)22l 式中，n為自由電子遷移率，COX為單位面積的柵極電容量，W/l稱為溝道寬長比，它是場效應(yīng)管的一項重要參數(shù)。+ID(VGS)IDIGSGVGSD（2）直流簡化電路模型如圖1.17所示。圖中，ID與VGS之間滿足平方律關(guān)系。注意該圖與圖1.12（三極管的直流簡化電路模型）之間的區(qū)別。圖1.17（3）交流小信號電路模型如圖1.18所示。（b） 高頻電路模型igidsrds+vdsg+vgsgmvgsdCgdCgsCdsigidsrds+vdsg+vgsgmvgsd（a） 低頻電路模型圖1.18 圖中，gm稱為低頻跨導。對JFET和耗進型MOSFET：（112）2IDSS IDQ g

24、m VGS(off) IDSS 對增強型MOSFET：（113）nCOXW gm2 IDQ 2l rds稱為輸出電阻 rds=1/(IDQ)（114）式中，=1/VA稱為溝道長度調(diào)制系數(shù)，通常= (0.0050.03)V1。注意圖1.18圖1.13（三極管的交流小信號電路模型）之間的區(qū)別。3、主要參數(shù)（1）直流參數(shù)飽和漏極電流IDSS：IDSS指對應(yīng)于VGS=0時的漏極電流。夾斷電壓VGS(off)：當柵源電壓VGS=VGS(off)時，ID=0。以上兩參數(shù)僅適用于結(jié)型場效應(yīng)管和耗進型MOSFET。開啟電壓VGS(th)：當VGSVGS(th)時，管子才形成導電溝道。該參數(shù)僅適用于增強型MOS

25、FET。直流輸入電阻RGS：指在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時的柵源直流電阻。對JFET，RGS在1081012之間；對MOSFET，RGS在10101015之間。（2）極限參數(shù)柵源擊穿電壓V(BR)GSO漏源擊穿電壓V(BR)DSO最大耗散功率PDM PDM=IDVDS（3）交流參數(shù)低頻跨導gm（115）iD gm= (mA/V)vGS VDSQ gm的大小反映了柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制能力。gm可以從轉(zhuǎn)移特性或輸出特性中求得（見式（112）及式（113）。輸出電阻rdsvDS rds= iD VDSQ （116）rds說明了vDS對iD的影響，在飽和區(qū)（放大區(qū)），iD

26、隨vDS的改變很小，故rds很大（幾十千歐幾兆歐）。4、場效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷（1）截止狀態(tài)的判斷截止條件：N溝道管：VGSVGS(th)（或VGSVGS(off)）P溝道管：VGSVGS(th)（或VGSVGS(off)）（2）非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）與飽和區(qū)（放大區(qū)）的判斷若VDSVGSVGS(th)，則場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)；若VDSVGSVGS(th)，則場效應(yīng)管工作在非飽和區(qū)。5、場效應(yīng)管與三極管的比較場效應(yīng)管與三極管的區(qū)別見表1.2所示。表1.2項較件類型目比器BJTFET載流子兩種不同極性的載流子（電子與空穴）同時參與導電，故稱為雙極型晶體管只有一種極性的載流子（電子或空穴）參與導電

27、，故稱為單極型晶體管控制方式電流控制電壓控制類型NPN和PNP型兩種N溝道P溝道兩種放大參數(shù)=20100gm=15mA/V輸入電阻1021041071014輸出電阻rce很高rds很高熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復雜簡單，成本低對應(yīng)電極基極柵極，發(fā)射極源極，集電極漏極1.3 典型習題詳解【1-1】在本征硅半導體中，摻入濃度為5×1015cm3的受主雜質(zhì)，試指出T =300 K時所形成的雜質(zhì)半導體類型。若再摻入濃度為1016cm3的施主雜質(zhì)，則將為何種類型的半導體？若將該半導體溫度分別上升至T =500 K、600 K時，試分析為何種類型半導體？【解】本題用來熟悉：（1）雜質(zhì)半導體的類型；（

28、2）雜質(zhì)半導體的轉(zhuǎn)型問題。（1）在本征半導體中摻入受主雜質(zhì)，形成P型半導體。（2）由于NdNa，故形成N型半導體。且多子n0 = NdNa=5×1015cm3（3）T =500 K時，ni =AT3/2eEg0/2kT=3.49×1014cm3n0，故仍為N型半導體；T =600 K時，ni =AT3/2eEg0/2kT=4.74×1015cm3n0，因而變?yōu)楸菊靼雽w。【1-2】已知硅PN結(jié)兩側(cè)的雜質(zhì)濃度分別為Na=1016cm3，Nd=1.5×1017cm3，試求溫度在27oC和100oC時的內(nèi)建電位差VB，并進行比較。Na NdVB VT ln(

29、)= 0.76Vni 2【解】本題用來熟悉：PN結(jié)的內(nèi)建電位差與溫度的關(guān)系。（1） T =27oC時，ni =1.5×1010cm3，則Na NdVB VT ln( )= 0.64Vni 2（2） T =100oC時，ni =1.9×1012cm3，則可見，PN結(jié)的內(nèi)建電位差VB隨溫度的升高而減小?！?-3】已知鍺PN結(jié)的反向飽和電流為108A，當外加電壓V為0.2V、0.36V及0.4V時，試求室溫下流過PN結(jié)的電流I？由計算結(jié)果說明PN結(jié)伏安特性的特點?！窘狻勘绢}用來熟悉：（1）PN結(jié)電流方程；（2）PN結(jié)伏安特性的特點。利用公式I =IS(eV/VT1)進行計算。當V

30、為0.2V、0.36V及0.4V時，I分別為21.91A、10.3mA及.48mA。由計算結(jié)果可知，當外加電壓V大于鍺PN結(jié)的導通電壓（0.2V）后，電壓V的微小增加會引起電流I的顯著增大。I IV =V Tln ( +1 )V Tln ( )IS IS【1-4】兩個硅二極管在室溫時的反向飽和電流分別為2×1012A和2×1015A，若定義二極管電流I=0.1mA時所需施加的電壓為導通電壓，試求兩管的VD(on)。若I增加10倍，試問VD(on)增加多少伏?！窘狻坑晒絀 =IS(eV/VT1)可得：由此可計算出：當IS =2×1012A時，VD(on)= 461

31、mV；當IS =2×1015A時，VD(on)= 640mV。由于VD(on)2VD(on)1 =VTln (I2/I1)，故當I2/ I1=10時，VD(on)增加VTln1060mV?！?-5】已知IS（27oC）=109A，試求溫度為10oC、47oC和60oC時的IS值?！窘狻勘绢}用來熟悉PN結(jié)的反向飽和電流IS受溫度影響的問題。溫度每升高10oC ，IS約增加一倍。即IS(T2)=IS(T1)×2（T2T1）/10。因此可算得；IS（10oC）= 109×2（1027）/10 =77（pA）IS（47oC）= 109×2（4727）/10 =

32、4（nA）IS（60oC）= 109×2（6027）/10 = 9.85（nA）【1-6】二極管是非線性元件，它的直流電阻和交流電阻有何區(qū)別？用萬用表歐姆擋測量的二極管電阻屬于哪一種？為什么用萬用表歐姆擋的不同量程測出的二極管阻值也不同？【解】本題用來熟悉二極管的直流電阻和交流電阻的概念。二極管的直流電阻RD是指二極管兩端所加直流電壓與流過它的直流電流之比，即：IDOQIQVD/VID/mAVDVQRD =VD/ ID（17）二極管的直流電阻RD隨Q點（靜態(tài)工作點）的不同而不同。如題圖1.1所示。二極管的交流電阻rd是指在Q點附近電壓變化量VD與電流變化量ID之比,即：rd=VD/I

33、D,也就是曲線在Q點處切線斜率的倒數(shù)。根據(jù)式（12）可求得：題圖1. 1VTrd = 其中：VT26mV （18）IQIQ是Q點處的電流值，Q點不同，rd也不同。IQ越大，曲線越陡,rd越小，反之亦然。交流電阻是動態(tài)電阻，不能用萬用表測量。用萬用表歐姆擋測出的正、反向電阻是二極管的直流電阻。用歐姆檔的不同量程去測量二極管的正向電阻，由于表的內(nèi)阻不同，使測量時流過二極管的電流大小不同，即 Q點的位置不同，故測出的RD值也不同?！?-7】電路如題圖1.2所示，設(shè)二極管為理想的，試判斷圖中各二極管是否導通，并求各電路的VAO值。3k+V2DO+V1+VAO（a）6V12VA【解】本題用來熟悉：（1）

34、理想二極管的特點；（2）二極管電路的估算法。+VAOO+V2+V1D3k15V12VA（b）O+VR13kD1R21k+VAO（d）3VAD2R35.1R451（c）OV2+V1+D13k+VAO15V12VAD2題圖1.2求解此類題目的關(guān)鍵在于判斷二極管是導通還是截止。對于理想二極管，VD(on)= 0，RD = 0。因此，若二極管陽極與陰極間電壓V0，則二極管導通；若V0，則二極管截止。圖（a）中，假設(shè)D斷開，則V=V1V2 =612 = 18V0，所以D截止。故得：VAO=V2 =12V。圖（b）中，假設(shè)D斷開，則V=V1V2 =1512 = 3V0，所以D導通。故得：VAO=V1=15

35、V。圖（c）中，假設(shè)D1、D2均斷開，則VD1= 0V2 = 0（12）= 12V0，VD2=V1V2 =15（12）= 3V0，所以D1導通，D2截止。故得：VAO=0V。圖（d）中，明顯看出D1、D2均處于正偏狀態(tài)，所以D1、D2均導通。故得：V 3VAO = ×R4 = ×5150mVR1+R2R3+R4 3000+10005.1+51【1-8】題圖1.3所示電路中的二極管為理想的，設(shè)vi=6sintV，試畫出輸出電壓vo的波形。（a）100+voD1vi+V2=5V+R+D2V1=2V（b）+D100+vovi+RV=2V題圖1.3【解】本題用來熟悉：（1）理想二極

36、管的特點；（2）二極管限幅電路的分析方法。二極管限幅電路分單向限幅和雙向限幅兩種，它利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑤敵鲂盘栂拗圃谝欢ǖ碾娖絻?nèi)輸出。分析此類題目的關(guān)鍵是判斷二極管的工作狀態(tài)。通常將輸入信號分段來討論二極管的導通或截止。圖（a）為二極管雙向限幅電路，上限幅電平為5V，下限幅電平為2V。當viV2 =5V時，D1因反偏而截止，D2因正偏而導通，vo=V2 =5V；當viV1 =2V時，D1因正偏而導通，D2因反偏而截止，vo=V1 =2V；當2Vvi5V時，D1、D2均因反偏而截止，vo=vi。輸出波形如下圖（a）所示。vo/Vt502vi/Vt5062vi/Vvo/Vt062t062（

37、a）（b）圖（b）為二極管單向限幅電路，下限幅電平為2V。當viV=2V時，D因正偏而導通，vo=vi；當viV=2V時，D因反偏而截止，vo=V=2V。輸出波形如上圖（b）所示?！?-9】題圖1.4（a）所示電路中，已知二極管參數(shù)VD(on)=0.7V，RD=100，（1）試畫出電壓傳輸特性曲線；（2）若vi= 5sintV，試畫出vo的波形。+voRD15.1kvi+V2=3V+D2V1=3Vvi/VVominvo/V5t03.73.7t03.73.7Vomax （a）vo/V3.703.73.73.7 vi/V（b）（c）題圖1.4【解】本題用來熟悉：（1）二極管的簡化直流電路模型；（2

38、）二極管限幅電路的分析方法。該電路為一雙向限幅電路。當vi3.7V時，D1因反偏而截止，D2因正偏而導通，此時：vi3.7 vi3.7 53.7vo= RD +3.7 = +3.7(V) Vomax = +3.7 = 3.725VR + RD 52 52當vi3.7V時，D1因正偏而導通，D2因反偏而截止，此時：vi+3.7 vi+3.7 5+3.7vo= RD3.7 = 3.7(V) Vomin= 3.7 =3.725VR + RD 52 52當3.7Vvi3.7V時，D1、D2均因反偏而截止，vo=vi。由以上分析可畫出電壓傳輸特性及vo的波形分別如題圖1.4（b）、（c）所示?！?-10

39、】試確定題圖1.5（a）所示電路中二極管的VQ、IQ。設(shè)RL分別為1k、2 k、5.1 k，二極管的特性如題圖1.5（b）所示。+D200RLVR11kR2Q3Q2Q10 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75I/A500 600 700 800 V/V400 300 200 100 （a）+DRLVocRo（c）（b）題圖1.5【解】本題用來熟悉二極管電路的圖解分析方法。利用戴維南定理將題圖1.5（a）所示電路等效為題圖1.5（c）所示電路。其中：R2 200Voc = V = ×5 = 833mV Ro= R1R2 = 1000200 =167R1+ R2 1000+200

40、因此，直流負載線方程為：V=Voc I（Ro+ RL）。當RL分別為1k、2 k、5.1 k時，分別將直流負載線畫在題圖1.5（b）上，得：Q1（VQ1=0.5V，IQ1=250A）；Q2（VQ2=0.45V，IQ1=180A）；Q3（VQ3=0.37V，IQ3=80A）?！?-11】題圖1.6（a）所示電路中，已知二極管參數(shù)VD(on)=0.25V，RD=7，rs=2，VDD=1V，vs=20sint（mV），試求通過二極管的電流iD=IDQ+id。（b）VDD50+DRL+RDVD(on)IDQ（a）50+DRLVDD+vsiD50RLvS+rsrjid（c）題圖1.6【解】本題用來熟悉二

41、極管電路的交、直流分析方法。這是一個交、直流混合的電路。流過二極管D的電流中，既有直流成分IDQ，又有交流成分id。IDQ的作用是給二極管提供一個合適的Q點，在此基礎(chǔ)上再疊加交流信號。分析這種電路通?？煞譃殪o態(tài)（直流）分析和動態(tài)（交流）分析，注意電路交、直流通路的劃分，且先靜態(tài)后動態(tài)。令vs=0，由電路的直流通路（二極管用直流簡化模型代替）題圖1.6（b）可得：VDDVD(on) 10.25IDQ = = = 13.16 mARD+ RL 7+50令VDD = 0（VDD的交流內(nèi)阻很小，故對交流可近似看作短路），由電路的交流通路題圖1.6（c）（二極管用小信號模型代替）可得：Vsm 20 VT

42、 26Idm = = 371A 其中 rj = = =1.98rs+ rj+ RL 2+1.98+50 IDQ 13.16因此iD = IDQ+id=（13.16 + 0.37 sint）mA【1-12】已知兩只硅穩(wěn)壓管DZ1、DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為VZ1=6V，VZ2=10V，若將它們串聯(lián)使用，能獲得幾種不同的穩(wěn)定電壓值？若將其并聯(lián)，又能獲得幾種不同的穩(wěn)定電壓值？【解】本題用來熟悉硅穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性。兩只穩(wěn)壓值不同的穩(wěn)壓管串聯(lián)使用，有四種聯(lián)接方式，如題圖1.7（a）所示。DZ1+VO2DZ2DZ1+VO1DZ2DZ1+VO3DZ2DZ1+VO4DZ2題圖1.7（a）因此，可分別獲得如下四種

43、不同的穩(wěn)壓值：VO1 =VZ1+VZ2=6 +10 =16V VO2=VZ1+VD2=6 +0.7 = 6.7VVO3=VD1+VZ2=0.7+10 =10.7V VO4=VD1+VD2=0.7 +0.7 = 1.4V兩只穩(wěn)壓值不同的穩(wěn)壓管并聯(lián)使用，也有四種聯(lián)接方式，如題圖1.7（b）所示。：+VO2DZ1DZ2+VO1DZ1DZ2+VO3DZ1DZ2+VO4DZ1DZ2題圖1.7（b）但獲得的穩(wěn)壓值只有兩種：VO1 =VZ1= 6V（DZ2是截止的） VO2=VO3=VO4=VD=0.7V【1-13】在題圖1.8（a）所示的穩(wěn)壓電路中，要求輸出穩(wěn)定電壓為7.5V。已知輸入電壓VI在15V到2

44、5V范圍內(nèi)變化，負載電流IL在0到15 mA范圍內(nèi)變化，穩(wěn)壓管參數(shù)為IZmax =50mA , IZmin =5mA ,VZ=7.5V，rZ= 10。試求：（1）所需R值。（2）分別計算VI和IL在規(guī)定范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化值VO1 和VO2。IL+RRL+VOVIIIZDZRrz+VO1VI+（c）RLRrz+VO2IL（a）（b）題圖1.8【解】本題用來熟悉：（1）硅穩(wěn)壓管電路的基本結(jié)構(gòu)；（2）硅穩(wěn)壓管電路的分析計算。（1）圖（a）中的R為限流電阻，為保證穩(wěn)壓管正常工作，R的選擇應(yīng)滿足一定的條件。當IZminIZIZ max時，DZ具有穩(wěn)壓作用。由圖（a）可知：I = IZ +IL，

45、即：IZ = IIL。故R的選擇應(yīng)滿足以下關(guān)系：VI min VZ ILmaxIZ min R VI max VZ ILminIZmax R 由此可解得：350R375（2）當僅有VI變化時,等效電路如題圖1.8(b)所示。(取R=350，并注意到rzRL)rz 10 1VO1 = VI = ×± （2515）±139mVR + rz 350+10 2當僅有IL變化時，等效電路如題圖1.8（c）所示。1VO2 =IL（Rrz）=± （150）×（35010）±73mV2由上述分析可見，當輸入電壓或負載電流在很大范圍內(nèi)變化時，輸出電壓變化量很小，電路起到了穩(wěn)壓作用?！?-14】在題圖1.9（a）所示電路中，已知vi=200sint（V），試畫出vo的波形。RLv2+D1vi+vov2D210:1vo/Vvi/V10t00.70.7t09.3（a）（b）題圖1.9【解】本題用來熟悉：（1）二極管全波整流電路的結(jié)構(gòu)；（2）二極管整流電路的分析方法。因變壓器匝數(shù)比為10：1，所以次級端電壓為20V，即v2=10sintV。當v2為正半周且大于等于0.7V時，D1導通，D2截止，vo=v20.7；當v2為負半周且小于等于0.7V時，D2導通，D1截止，vo=v20.7；當0.7Vv2