第一章半导体器件基础
1．试求图所示电路的输出电压Uo，忽略二极管的正向压降和正向电阻。
解：
（a）图分析：
1）若D1导
通，忽略D1的正
向压降和正向
电阻，得等效电路如图所示，则U O=1V，U D2=1-4=-3V。即D1导通，D2截止。
2）若D2导通，忽略D2的正向压降和正向电阻，得等效电路如图所示，则U O=4V，在这种情况下，D1两端电压为U D1=4-1=3V，远超过二极管的导通电压，D1将因电流过大而烧毁，所以正常情况下，不因出现这种情况。
；
综上分析，正确的答案是U O= 1V。
（b）图分析：
1.由于输出端开路，所以D1、D2均受反向电压而截止，等效电路如图所示，所以U O=U I=10V。
2．图所示电路中，E 解：由于E E u i u o 3．选择正确的答案填空 在图所示电路中，电阻R为6Ω，二极管视为理想元件。当普通指针式万用表置于R×1Ω挡时，用黑表笔(通常带正电)接A点，红表笔(通常带负电)接B点， 则万用表的指示值为( a )。Ω，Ω，Ω，Ω,Ω 。 解：由于A端接电源的正极，B端接电源的负极，所以两只二极管都截止，相当于断开，等效电路如图，正确答案是18Ω。 4．在图所示电路中，uI =10sinωt V，E = 5V，二极管的正向压降可忽略不计，试分别画出输出电压uo的波形。 解： （a）图 当u I＜E时，D截止，u O=E=5V；当u I≥E时，D导通，u O=u I u O波形如图所示。 u I ωt 5V 10V uo ωt 5V 10V ~ （b）图 当u I＜-E=-5V时,D1导通D2截止，uo=E=5V； 当-E＜u I＜E时，D1导通D2截止，uo=E=5V； 当u I≥E=5V时，uo=u I 所以输出电压u o的波形与（a）图波形相同。 5．在图所示电路中，试求下列几种情况下输出端F的电位UF及各元件(R、DA、DB)中通过的电流：( 1 )UA=UB=0V；( 2 )UA= +3V，UB = 0 V。( 3 ) UA= UB = +3V。二极管的正向压降可忽略不计。 解：（1）U A=U B=0V时，D A、D B都导通，在忽略二极管正向管压降的情况下，有：U F=0V mA k R U I F R 08 .3 9.3 12 12 = = - = * mA I I I R DB DA 54 .1 2 1 = = = (2) U A=3V U B=0V时，D A截止，D B导通，在忽略二极管正向管压降的情况下，有： U F=0V mA k R U I F R 08 .3 9.3 12 12 = = - = mA I DA 0= mA I I R DB 08.3== (3) U A =U B =3V 时，D A 、D B 都导通，在忽略二极管正向管压降的情况下，有： U F =3V mA R U I F R 31.29 .33 1212=-=-= mA I I I R DB DA 16.12 1 == = ] 6．有两个稳压管Dz1和DZ2，其稳定电压分别为和，正向压降都是。如果要得到、3V 、6V 、9V 和14V 几种稳定电压，这两个稳压管(及限流电阻)应该如何联接画出各个电路。 解： u o =0.5V u I + – + – =3V 7．在图所示，E=10V ，u=30sin ωt V 。试用波形图表示二极管上电压uD 。 解：分析 1.当u＜–E= –10V时，D截止，u D= u +E； 2.当u＞–E时，D导通，u D=0V . 由此可画出u D波形如图所示。 30 –10 –30 –20 u(V) u D(V) t t 8．在图所示，E=20V，R1=900Ω，R2=1100Ω。稳压管DZ的稳定电压UZ =10V，最大稳定电流IZmax=8mA。试求稳压管中通过的电流IZ。它是否超过IZmax 如果超过，怎么办 已知：E=20V，R1=900Ω，R2=1100Ω，U Z =10V，I Zmax=8mA。求：I Z 解：设流过R1的电流为I R1，流过R2的电流为I R2，则在D Z起稳压作用时有： mA R U E I Z R 1. 11 900 10 20 1 1 = - = - = mA R U I Z R 1.91100 10 22=== mA I I I R R Z 21.91.1121=-=-= 由于I Z ＜I Zmax ，稳压管可以正常工作。如果I Z ＞I Zmax ，则稳压管不能正常工作，这时应适当增大R 1或减小R 2，使I Z ＜I Zmax 。 $ 9．判断下列说法是否正确，并在相应的括号内画 √ 或 ×。 1）P 型半导体可通过纯净半导体中掺入五价磷元素获得。( × ) 2）在N 型半导体中，掺入高浓度的三价杂质可以改型为P 型半导体。(√) 3）P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。( × ) 4）PN 结内的扩散电流是载流子在电场作用下形成的。( × ) 5）漂移电流是少数载流子在内电场作用下形成的。(√ ) 6)由于PN 结交界面两边存在电位差，所以，当把PN 结两端短路时就有电流通过。( × ) 7)PN 结方程可以描述PN 结的正向特性和反向特性，也可以描述PN 结的反向击穿特性。( × ) 10．图中的二极管D 为理想二极管，试通过计算判断D 是否导通。 $ 解：解法一：将D 断开，求得 V U U U k k A 8)20(4 11)10(64414-=-?++-?+= += V U B 10)20(1 11 -=-?+= 由于U A ＞U B ，故当AB 间接二极管，且A 端接二极管正端时，二极管导通。 解法二：将二极管D 断开，求AB 端的戴维南等效电路，可得同样结论。 11．计算图电路中流过二极管的电流ID 。设二极管导通时的正向压降UD=。 解：将二极管断开，用戴维南定理。 1）求开路电压U OC 10V 5V 2k 3k ++ –– – – ++U 2k Uoc A B $ V k k k U V U U k AB OC 4)510(32210102=++- =-== 2）求等效电阻R o 2k 3k A B Ro Ω=+?= k k k k k R O 2.13232 3）画戴维南等效电路，求I D +– A B Uoc Ro 1.2k Ω 4V D I D Uoc +– A B Ro 1.2k Ω 4V I D + –0.7V mA k R V U I O OC D 75.22.17 .047.0=-=-= 12．整流二极管通常不允许工作在反向击穿区，以防管子损坏。即使不损坏，管子也易发 热，不利于正常运行。在如图所示电路中，整流二极管D 的反向击穿电压为100V ，定功耗为250mW ，外加130V 反向电压。问该二极管是否会损坏 解：求二极管工作在反向击穿状态下的最大允许反向饱和电流I R * mA V mW I R 5.2100250== 求电路中通过二极管的电流I mA k I 310100 130=-= 由于I ＞I R ，所以该二极管可能损坏。 13．试分析如图所示单相全波整流电路： L ）若整流二极管D2虚焊，输出电压uO 为多少 2）如果变压器副边中心抽头虚焊，uO 为多少 3）若把D2的极性接反，能否正常工作会出现什么问题 4）若D2因过载而击穿，会出现什么问题 ￥ 5）如果把D1和D2都反接，是否仍有整流作用 所不同的是什么 解：设)(sin 2V t U u ω= ，则： 1）电路工作在半波整流状态，u o =； 2）不论u 状态如何，D 1、D 2总有一个是截止的，所以u o =0V ； 3）不能正常工作，当u 处于正半周时，D 1、D 2将因短路而烧毁； 4）不能正常工作，当u 处于正半周时，D 1也将因短路而烧毁； 5） 仍能起整流作用，只是u o 的极性与图示相反。 14．图中的(a)和(b)为两种测量二极管伏安特性的电路。为保证测量的精度，试问这两种电路分别适用于测量正向特性还是反向特性 标出直流电源V 和测量仪表的极性，并确定电流表应采用毫安表还是微安表。 答：（a ）图用于测量二极管的正向特性，因为二极管正向电阻小，而电压表的内阻大，电流表的内阻小，为了减小测量误差，应将电压表与二极管并联后再与电流表串联。又由于二极管正向接法时，电流较大，所以电流表应用毫安表，且直流电源和测量仪表的极性如图（a ）所示。 《 （b ）图用于测量二极管的反向特性，因为二极管反向电阻大，而电压表的内阻大，电流表的内阻小，为了减小测量误差，应将电流表与二极管串联后再与电压表并联。又由于二极 管反向接法时，电流较小，所以电流表应用微安表，且直流电源和测量仪表的极性如图（b ）所示。 A V V + ++ – –– D R P V R P D + – A V + + –– (a) (b) 15．如图所示为3AG25三极管的输出特性曲线，当UCE= - 6V ，IB 分别从变到；变到；变到；变到时，动态电流放大系数β各为多少当IB 等于、、、和 时的静态电流放大系数β各为多少 解：过U CE = –6V 处作横轴的垂线交各特性曲线如图，查得I CEO =0mA 。 1） 求β值： I B ~ mA 区间 5502 .07 .08.1=-=??= B C I I β I B mA ~ mA 区间 ) 6502.08 .11.3=-= β I B mA ~ mA 区间 9002.01 .39.4=-= β I B mA ~ mA 区间 8502 .09 .46.6=-= β 2）求β 根据CEO B C I I I +=β得 B CEO C I I I- = β 将特性曲线查得的I B、I C、I CEO的值和对应的β填入下表 I B(mA)， I C(mA)~ β 3545526166 β5565) 90 85 16．某三极管输出特性如图所示。已知ICM = 40mA，U(BR)CEO=50V，PCM = 400mW。试标出曲线的放大区、截止区、饱和区、过损耗区，并估算UCE=15V，IC=15mA时管子的β值和α值。 解： 1）临界饱和线的绘制 晶体三极管在临界饱和时有U BC=0，即U CE=U CB+U BE=U BE。由此可绘制出临界饱和线如图，临界饱和线的左端（即纵坐标附近）为饱和区； 2）临界损耗线P C的绘制 临界损耗线是指U CE×I C=P C（=400mW）的点所连接的曲线。 ) 当I C=I CM=40mA时，V mA mW I P U CM CM CE 10 40 400 = = = 当I C=30mA时，V P U CM CE 3. 13 30 = = 当I C=20mA时，V P U CM CE 20 20 = = 当I C =10mA 时，V P U CM CE 4010 == 当U CE =U (BR)CEO =50V 时，mA V mW U P I CEO BR CM C 850400)(== = 由上述数据可绘制出临界损耗线如图，这条曲线的右上方为过损耗区。 P CM 线 截 止区 饱和放 大 过损耗区 区 区 3）当U CE =15V ，I C =15mA 时，图中查得：I B =300μA, I CEO =0，所以 5030015=== A mA i i b c μβ 98.051 50 1== += β β α , 17．测得工作在放大电路中四个晶体管三个电极电位U1、U2、U3分别为下列各组数值，判断它们是NPN 型还是PNP 型，是硅管还是锗管。确定e 、b 、c 三个电极。 1）U1=，U2=，U3 = 12V 2）U1= 3V ，U2=，U3 = 12V 3）U1= 6V ，U2=，U3=12V 4）U1= 6V ，U2=，U3=12V 解：放大电路中的晶体三极管必须工作在放大状态，对于NPN 型三极管，要求U BE ＞0，U BC ＜0，即U C ＞U B ＞U E ；对于PNP 型三极管，则要求U BE ＜0，U BC ＞0，即U C ＜U B ＜U E 。因此可判断： 1）U 1=，U 2=，U 3 = 12V 因为 U 2＜U 1＜U 3,且U 12= 所以 它是NPN 型硅管。1极为b 极，2极为e 极，3极为c 极 2）U 1= 3V ，U 2=，U 3 = 12V " 因为 U 2＜U 1＜U 3,且U 12= 所以 它是NPN 型锗管。1极为b 极，2极为e 极，3极为c 极 3）U 1= 6V ，U 2=，U 3=12V 因为 U 1＜U 2＜U 3,且U 23= – 所以 它是PNP 型硅管。1极为c 极，2极为b 极，3极为e 极 4） U 1= 6V ，U 2=，U 3=12V 因为 U 1＜U 2＜U 3,且U 23= – 所以 它是PNP 型硅管。1极为c 极，2极为b 极，3极为e 极 18．断图中各晶体管的工作状态 (饱和、放大、截止)。设管子均是硅管。 ^ 解： （a ）图中，U BE = =>0，U BC == –＜0，T 1工作在放大状态。 （b ）图中，若发射结正偏，则U B =U E +U BE =+=，U BC =U B -U C =，集电结将烧毁；所以三极管集电结正偏，发射结反偏，T 2工作在倒置放大状态。 （c ）图中，的电压不能使两个PN 结导通，所以T 3截止。 (d) 图 mA k I B 196 .027 3 .51)1(67.06==?++-= β mA I I CS BS 146.020 43.012=-==β 由于I B ＞I BS ，所以T 4饱和。 19．分别标出如图电路中电压VDD 的极性，并指出管子类型。 解：（a ）是N 沟道结型场效应管 （b ）图是P 沟道结型场效应管 ^ （c ）是N 沟道耗尽型场效应管 （d ）是N 沟道增强型场效应管 （e ）是P 沟道耗尽型场效应管 （f ）是P 沟道增强型场效应管 电源V DD 的极性如图所示。 +++ –– – 20．某MOS 场效应管的漏极特性如图所示，试分别画出UDS=9V 、6V 、3V 时的转移特性曲线。 解： 4 812 U GS /V I D /mA U DS =9V 4812 U GS /V I D /mA U DS =6V 4812 0U GS/V I D/mA U DS=3V 【 21．由上题图的MOS管组成的电路如图下图所示，试分析当u i =4V、8V、l2V时，这个管子分别处于什么状态。 解：由题1-20图可得：U gs(th)=4V，I D0=I D|Ugs=2Ugs(th)= 作交流负载线： 负载线方程为： D D DD DS R i V u- =， 令0 = D i，得V V u DD DS 12 = =； 令0 = DS u，得mA k V R V i D DD D 08 .3 9.3 12 = Ω = = 过点（12V，0）和点（0，）可得交流负载线如图所示： 1）u i =4V时，u gs= U gs(th)=4V，场效应管处于微导通状态，I D≈(查图) ' U ds =V DD -I D R D =×= 由于U ds >U gs - U gs(th)=4-4=0 所以场效应管工作在恒流区（即线性放大状态） 2）u i =8V 时，u gs = 8V> U gs(th)=4V ，查得I D = U ds =V DD -I d R D =×= 由于U ds > U gs - U gs(th)=8-4=4V ，所以场效应管工作在恒流区（即线性放大状态）。 3）u i =12V 时 即u gs = 12V> U gs(th)=4V ，查得I D = U ds =V DD -I d R D =×= 由于U ds < U gs - U gs(th)=12-4=8V ，所以场效应管工作在可变电阻区（即欧姆区） 22．如图是一种CMOS 反相器电路，若NMOS 管和PMOS 管开启电压|UT| = 4V ，导通电阻ron =500Ω，试问：( l ) u i 分别为0V 和10V 时，uo 等于多少 ( 2 ) 若将PMOS 管改成10k Ω电阻，上述输入电压下uo 等于多少 … 解：1）当u i =0V 时，u gsn =0V ，NMOS 管夹断；u gsp =-10V ，PMOS 管导通，由于r on ?夹断管电阻，所以，u 0=10V ； 当u i =10V 时，u gsn =10V ，NMOS 管导通；u gsp =0V ，PMOS 管夹断，由于r on ?夹断管电阻，所以，u 0=0V ； 2）用10k Ω电阻取代PMOS 管后， 当u i =0V 时，u gsn =0V ，NMOS 管夹断，V k r r u ds ds 10100?+= ； 当u i =10V 时，u gsn =10V ，NMOS 管导通， V V k r r u on on 48.010100=?+= 23．填空题 (1)N 型半导体中多数载流子是(自由电子 )，P 型半导体中多数载流子是(空穴)。 (2)当温度升高时，晶体管的β（增大），反向电流 ( 增大 )，U BE (减小)。 (3)电路如图所示，已知D 为锗管，反向饱和电流I R = 100μA ，则A 点的电位U A 等于( 9V )；若视二极管D 为理想开关，A 点的电位则为(10V )；若将二极管D 反接，并视为理想开关，则A 点电位等于(20V )。 (4)PN结中扩散电流的方向是( )，漂移电流的方向是( )。 (5)在N沟道结型场效应管反相器电路中，已知管子T的夹断电压U P = - 4V，当输入低电平U IL = -8V时，电路的输出电压U O= ( U OH)。 24．选择题 (1)NPN型和PNP型晶体管的区别是( C )。 A.由两种不同材料硅和锗制成； B.渗入的杂质元素不同； 和N区的位置不同。 (2)对于共发射极NPN管开关电路，当晶体管处于放大状态时，则有( A )。 >0，U BC<0；>0，U BC>0； C. U BE<0，U BC<0； D. U BE =0，U BC =0。 （3）用于放大时，场效应管工作在特性曲线的 B 。 A.夹断区； B.恒流区； C.可变电阻区。 (4)晶体管电流由C1(A1.多子；B1.少子；C1两种载流子)组成；而场效应管的电流由A2 (A2.多子；B2.少子；C2两种载流子)组成。因此，晶体管电流受温度的影响比场效应管A3 。(A3.大；B3.小；C3.差不多)
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