模拟电子技术及应用-习题解答

模拟电子技术及应用-习题

解答

-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

习题解答

第1章

1.1简述半导体的导电特性。

答：半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。半导体一般呈晶体结构，其原子核对价电子的束缚较弱，当半导体受到外界光和热的刺激时，它便释放价电子，从而使导电能力发生变化。例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。又如一种硫化镉薄膜，在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的百分之一。利用这些敏感性可制成各种光敏元件和热敏元件。若在纯净的半导体中加入微量的杂质，则半导体的导电能力会有更显著的增加，例如在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一，这是半导体最显著的导电特征。利用这个特性，可制造出各种半导体器件。

1.2 简述PN结是如何形成的。

答：当P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面两侧多数载流子浓度的差别，N区的多数载流子电子向P区扩散，P区的多数载流子空穴也要向N区扩散，于是电子与空穴复合，在交界面附近P区一侧因复合失去空穴而形成负离子区，N区一侧也因复合失去电子而形成正离子区。这些不能移动的带电离子形成了空间电荷区，称为PN结。

PN结内存在一个由N区指向P区的内电场。内电场的形成将阻止多数载流子的继续扩散，另一方面又会促进少数载流子的漂移，即N区的少数载流子空穴向P区移动，P区的少数载流子电子向N区移动。因此，在交界面两侧存在两种对立的运动，漂移运动欲使PN结变窄，扩散运动运动欲使PN结变宽。当扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移电流大小相等，两种运动达到动态平衡时，PN结宽度不再变化，即PN结维持一定的宽度。由于内电场的存在，使载流子几乎不能在PN结内部停留，所以，PN结也称为耗尽层。

1.3 二极管的特性曲线有哪几个区域二极管的单向导电能力是指特性曲线上的哪个区域的性质二极管的稳压能力又是指特性曲线上的哪个区域性质

答：二极管的特性曲线有正向特性、方向特性和反向击穿特性三个区域。二极管的单向导电能力是指特性曲线上的正向特性的性质。二极管的稳压能力是指特性曲线上的反向击穿特性的性质？

1.4 举例说明发光二极管和光敏二极管的应用。它们各应工作在何种偏置状态下？

答：发光二极管和光敏二极管都属于光电子器件，光电子器件在电子系统中应用十分广泛，具有抗干扰能力强、功耗小等优点。

1．发光二极管

发光二极管是可以将电能直接转换成光能的半导体器件。在外加正向电压时，内电场削减，电子与空穴在复合的过程中，以光的形式向外释放能量。它包括可见光、不可见光（一般指红外光）发光二极管。单色发光二极管只有一个PN 结，常见的发光颜色有红、橙、黄、绿等色。双色发光二极管是两只LED反极性并联后封装在一起。若单独驱动只发出单色光，同时驱动发出复色光。当前白色的发光二极管的应用使发光二极管从标识功能向照明功能迈出实质性的一步。由发光二极管构成的点阵结构广泛用于交通信号灯、广告牌及大型电子显示屏等电子设备。

2．光敏二极管

光敏二极管也叫光电二极管，其结构和一般二极管相似，也具有单向导电性，一般工作在反向偏置状态。利用光敏二极管制成光电传感器，可以把光信号转变为电信号，以便控制其他电子器件。光敏二极管一般有两种工作状态：（1) 当光敏二极管上加有反向电压时，管子中的反向电流随光强变化而正比变化；

（2) 光敏二极管上不加反压，利用PN结在受光照（包括可见光、不可见光）时产生正向压降的原理，作微型光电池使用。

光敏二极管主要用于自动控制。如光耦合、光电读出装置、红外遥控装置等。

1.5 在图1.28所示的电路中， VD 为理想二极管， 输入电压UI ＝15 V ，试判断各电路中二极管VD 是导通还是截止，并求输出电压UO 。

解： (a) 导通，U O =15V (b) 截止，U O =5V (c) 导通，U O = 0V (d) 截止，U O =15V

)R r

(1U r)(R R U U R R +=+=

r 1-U U 1R R =

3mA

3)k (25)V

(10I =Ω

++=

，此时二极管两端的正向压降为：

4V 3)V 2-(10U =⨯=，或4V )V 5-3(3U =⨯=，显然U>>U D

，与假设矛盾，二极管实际上是导通的，正

向压降应为U D =0.7V ，则图1.29等效为图1.29.2，此时二极管的正向电流为：

2.75mA 1.9mA -mA 65.43k 0.7)V

(52k 0.7)V -(10I I I 21D ==Ω

+-Ω=

-=

图1.28 题1.5图

(a) (b) (c) (d)

R

图1.6.1

图1.29 题1.7图 图1.29.1 图1.29.2

1.8 硅二极管电路如图1.30所示， 试分别用二极管的理想等效模型和恒压降等效模型计算电路中的电流I 和输出电压U O 。 （1）当U=1 V 时； （2）当U=10 V 时。

解：由图1.30和已知条件，不难判断二极管处于正向导通状态。 理想模型下，二极管正向电压为零，图1.30可等效为 图1.30.1。

（1）当U=1V 时，0.5mA 2k 1V R U I

=Ω==

，U O =U= 1V ； （2）当U=10V 时，5mA 2k 10V

R U I =Ω

==，U O =U= 10V ；

恒压降模型下，硅二极管正向压降为0.7V ，图1.30可等效为 图1.30.2。

（1）当U=1V 时，0.15mA 2k 0.7)V

-(1R U -U I

D =Ω==

，U O =U.U D = 0.3V ；

（2）当U=10V 时， 4.65mA 2k 0.7)V

-(10R U -U I D =Ω

==，U O =U.U D = 9.3V ；

1.9 在直流微安表组成的测量电路中，常用二极管组成保护电路，以防过大电流损坏μA 表头，试说明在图1.31中的二极管串、并联在电路中各起什么样的保护作用？

解：二极管串在电路中起极性保护作用。若没有串联二极管，则当电压极性接反了，会使电流方向流动，表头指针反转，当电流过大时，反转力矩会很大，有可能使微安表的指针被折断损坏。二极管串在电路中以后，一旦电压极性接反，二极管会截止，电路中没有电流，指针自然也不会反偏，从而避免被折断损坏。

二极管串在电路中起过流保护作用。当流过微安表的电流较小时，其两端电压不足以使二极管导通。当电流足够大时，微安表两端的电压使二极管正偏导通，对电路总电流起分流作用，即多余的电流从二级管流走，微安表两端最大电压为二极管的正向导通电压，该电压决定了流过微安表的最大电流。

1.10 图1.32所示的电路中，发光二极管导通电压U D ＝1.5V ，二极管在正向电流5～15mA 的范围才能

正常发光显示。试求电阻R 的取值范围。

解：发光二极管导通时，其两端电压近似为常数，当电源电压一定时，流过二极管的电流受串联电阻R 的大小的控制，所以这里的电阻又叫限流电阻。有图1.32不难看出：

I

U -V R D

DD

=

所以

Ω=Ω=-==7000.7k mA

5V

)5.15(I U -V R min D DD max Ω=Ω=-==2330.233k mA

15V )5.15(I U -V R

max D DD min

图1.31 题1.9图

图1.32 题1.10

图1.30 题1.8图

图1.30.1 图1.30.2

U D