电工学题解：第七章 半导体器件修改

1、下篇: 电子技术第七章 半导体器件71基本要求（1）掌握PN结的单向导电性。（2）熟悉二极管、稳压管、三极管、场效应管的基本结构、特性曲线和主要参数。（3）学会分析整流及滤波电路，并对其进行简单的计算。（4）掌握晶体三极管的电流分配和放大作用。72基本内容7.2.1 PN结与二极管 P型半导体和N型半导体的结合形成PN结。PN结的主要性质单向导电性：一个PN结外加正向电压时，呈现很小的正向电阻，有较大的正向电流；当加反向电压时，呈现很大的反向电阻，只有很小的反向饱和电流。二极管就是利用一个PN结，加上外壳，引出两个电极而制成的，它具有单向导电性。理想二极管：导通时，正向压降UD=0，正向电阻近

2、似为零，相当于一个开关闭合的状态；截止时，反向电流IR=0，反向电阻为无穷大，相当于一个开关关断的状态。实际二极管：正向电压超过二极管的死区电压（硅：0.5V；锗：0.1V），二极管才能导通。一旦导通，二极管有一定正向电压降（硅：0.60.7V；锗：0.20.3V）。二极管反向截止，反向电流IR0。主要参数：最大整流电流、反向工作峰值电压。7.2.2整流电路整流就是利用二极管单向导电特性，将交流电转变为直流电的过程。整流二极管可视为理想二极管。在分析整流电路时，应抓住“二极管在正向电压作用下导通，而在反向电压作用下截止”这个基本点，并且弄清楚在交流正半周和负半周期间电流的通路方向，从而确定负载

3、电压的+、-极性。整流电路以桥式电路用的最多。表7-1电路形式输入交流电压（有效值）负载电压平均值UO流过二极管电流的平均值ID二极管承受的最大反向电压URM单相半波整流电路U20.45 U2（RL负载电阻）单相桥式全波整流电路U20.9 U27.2.3滤波电路滤波电路的作用是尽量降低直流电压中的脉动成分，同时尽量保留其中的直流成分，使输出电压的波更加平滑。常用的滤波电路有：电容滤波电路、电感滤波电路、复式滤波电路。表7-2所示为接有滤波电容器时的数据。表7-2电路形式输入交流电压（有效值）空载时输出电压UO负载时输出电压UO（估计值）流过二极管电流的平均值ID二极管承受的最大反向电压URM半

4、波整流电容滤波U2U2全波整流电容滤波2 U21.2 U22桥式整流电容滤波U21.2 U27.2.4稳压管及稳压管稳压电路稳压管是具有稳压特性的特殊二极管。稳压管工作在反向击穿区有稳压作用，稳压管的正常工作需具备三个条件：（1）稳压管两端需加反向电压；（2）在电路中必须接有限流电阻，使其电流不超过；（3）限流电阻前的外加电压应大于它的稳定电压。稳压管稳压电路能在电网电压或负载电流波动时自动维持输出电压的稳定。稳压管要与负载并联，适当选择串联限流电阻，使稳压管工作在击穿区，利用稳压管端电压的微小变化而能引起电流的较大变化，并通过限流电阻调整了电压，以维持输出电压的稳定。7.2.5三极管按内部结

5、构三极管有两种类型：NPN型和PNP型。计算中，一般可认为：。根据三极管的输出特性曲线，分为三个区：（1）饱和区：，发射结正向偏置，集电结亦正向偏置，处于饱和状态。（2）截止区：，三极管没有放大能力。（3）放大区：与成正比，即，三极管起放大作用。7.2.6场效应晶体管场效应晶体管有两种类型：结型场效应管和绝缘栅场效应管。场效应管的栅极对应于三极管的基极，源极对应于发射极，漏极对应于集电极。与三极管相比，场效应管具有输入电阻高、噪声低的特点，因而获得广泛的应用。73重点与难点7.3.1半导体二极管的应用（1）整流电路：利用二极管单向导电特性，将交流电转变为直流电。（2）限幅电路：将输出电压限制在

6、某一特定幅值，有单向限幅和双向限幅两种。（3）钳位电路：将输出电压的幅值限制在某一预定电位。（4）检波电路：将高频交流信号变成单方向脉动信号。（5）稳压二极管可实现简单稳压、电路削波等。二极管和稳压管的具体应用在以后的习题及相关的部分章节中都有所体现，学生应通过更多练习，深入理解并掌握二极管和稳压管的具体应用。7.3.2三极管的放大作用从三极管的结构看，由NPN和PNP两种类型。但是，无论哪一种类型，管子内部都有三个区、两个PN结，并引出三个电极。三个区发射区、基区和集电区；两个PN结发射结和集电结；三个电极发射极e、基极b和集电极c。为了实现放大作用，三极管的内部结构和外部所加电源的极性必须

7、满足一定的条件：内部结构条件发射区高掺杂，其中多数载流子浓度很高；基区很薄，且低掺杂，则基区中多子的浓度很低。外部条件外加电源极性应使发射结正向偏置，集电结反向偏置。在满足上述条件的前提下，三极管中载流子的运动经历发射、复合和扩散以及收集等过程，最后，使三极管中的电流分配符合以下关系：，且当基极电流发生微小的变化时，相应的集电极电流将有较大的变化，集电极电流的变化量比基极电流的变化量大倍，即 从而实现了电流放大作用。7.3.3直流稳压电源原理直流稳压电源由四个环节组成：变压器、整流电路、滤波器及稳压电路。半导体直流电源的原理图如图7-1所示，表示把交流电变为直流的过程。电源变压器整流电路 交流

8、 电源负载滤波器稳压图7-1 直流稳压电源原理图（1）变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。（2）整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压。其中的整流元件（晶体二极管）所以能整流，是因为它具有单向导电的特性。（3）滤波器：减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。（4）稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。在对直流电压的稳定程度要求较低的电路中，稳压环节也可以不要。74 例题与习题解答7.4.1例题例7-1 如何用万用表判断二极管的正极和负极以及二极管的好坏？解：本题求解的关键是正确判断二极管是否导通。二极管正向电压只有零点几伏时导通，其电阻很小；二极管反向电压

9、小于反向击穿电压时截止，其电阻很大。如图7-2所示电路中，虚线框为万用表。万用表笔头正极（红色）是万用表内部电池的负极，而万用表笔头负极（黑色）是内部电池的正极。若测得二极管为较小正向电阻，则黑笔所触及的是二极管的正极，红笔所触及的是二极管的负极。若测得正向电阻较小，则二极管是好的。若测得正向电阻、反向电阻均接近于0，则二极管已击穿损坏。若正反电阻均为，则二极管内部断线。图7-2 二极管判别例7-2 在图7-3所示电路中，试求：下列几种情况下输出端电位及各元件中流过的电流：（1）（2）（3）。设二极管正向电阻为0，反向电阻为无穷大。图7-3 解：本题主要涉及二极管的性质，欧姆定律，分压公式。（

10、1）时，导通，导通 截止，于是由欧姆定律 。（2）时，先导通，使，= 端电压设二极管正向电阻为0，于是导通，由支路电流法 所以由KCL定律所以，所以， 于是 。（3），两个二极管同时导通。由支路电流法 所以 由KCL定律 所以，则由欧姆定律于是 。例7-3 电路如图7-4(a)所示，已知。稳压管的稳定电压，最大稳定电流。试分析稳压管中通过的电流是否超过？如果超过该怎么办？ （a） (b)图7-4解：此题的目的是熟悉稳压管应用电路的分析方法。此类题目的分析方法较为灵活，下面用两种途径来分析计算。方法一：利用戴维南定理对所给电路进行等效交换，变换后的电路如图7-4（b）所示，则=因此 方法二：对原

11、电路应用基尔霍夫定理可列出如下方程组： 代入数值求解有。 由上述分析可见，。若超过，应增大使其电流减小，进而由可使减小。通常的选择可依据下式进行： 例7-4 在图7-5所示的各个电路中，试问晶体管工作于何种状态？(a) (b) (c)图7-5解：本题主要考查学生对晶体管三种工作状态（截止、饱和、放大）的理解。由电路参数得到晶体管饱和时集电极电流，由此得，再比较与。设，因为 所以对（a）管 晶体管刚饱和时基极电流：< 所以（a）管工作在放大状态。对（b）管晶体管饱和时集电极电流近似为：>所以（b）管工作在饱和状态。对（c）管，因为T的基极为负电压，故（c）管可靠截止。例7-5 有一个

12、晶体管接在电路中，今测得它的三个管脚的电位分别为、和，试判别管子的三个电极，并说明这个晶体管是哪种类型的？是硅管还是锗管？解：PNP型，锗管，管脚为集电极，管脚为发射极，管脚为基极。例7-6 如图7-6所示，桥式整流电容滤波电路中(有效值)、，则（1）求电路测得正常时 二极管承受的最高反向电压（2）如果测得，说明电路各出现什么故障。图7-6解（1）（2）如果测得为18V，即为的0.9倍，满足 符合桥式整流电路输出电压平均值，此时电容C没有起到滤波作用，因此，出现了电容C断路的故障。若，即为的0.45倍，满足 符合半波整流输出电压平均值，因此出现、中有一个二极管开路或者、开路或、开路及电容开路的

13、故障。例7-7 有一单相桥式电容滤波整流电路（图7-7），已知交流电源频率，负载电阻，要求直流输出电压，选择整流二极管及滤波电容器。图7-7（，可选二极管：最大整流电流100mA，反向工作峰值电压50V；选用、耐压为50V的极性电容器。题解过程略。）7.4.2习题7-1 理想二极管电路如图7-8所示，求。图7-8解：该题目最主要的就是判断二极管两端的电压是正向还是反向压降。两端为正向则导通，理想二极管的管压降为0V，相当于电路短路。两端为反向压降则截止，理想二极管电阻无穷大，相当于电路开路。（a）二极管正向导通 （b）二极管反向截止，电阻电流约为0，电阻压降约为0 7-2 理想二极管电路如图7

14、-9所示，已知输入电压 V，试画出输出电压 的波形。图7-9解：此类题目，首先选取参考点，通常取输入输出公共端，然后比较二极管两端电位的高低，判断出二极管承受的电压是否正偏，确定二极管处于什么状态（导通或截止），最终确定输出电压的大小。（1）图7-9（a）：如图选取参考点直流电源负极为0，则二极管阳极电位为+6V，当<+6V时，即阴极电位<+6V，二极管承受正向电压而导通，由于二极管视为理想的，则=6V；当>+6V时，即阴极电位>+6V，二极管承受反向电压而截止，则=，即在此段范围内与波形相同。据此分析可画出输出电压的波形如下：图7-9（2）图7-9（b）方法如上所述，

15、波形如图7-9（d）。7-3 有桥式整流电路，变压器二次侧电压，负载电阻，二极管是理想的。试计算：（1）输出电压；（2）负载电流；（3）二极管电流；（4）二极管所承受的最大反向电压。解： （1）输出电压（2）负载电流（3）二极管电流（4）二极管所承受的最大反向电压就是副边电压的峰值，所以 7-4 图7-10所示为桥式整流、电容滤波电路，已知，二极管是理想的。试估算：（1）输出电压；（2）电容开路时的；（3）负载开路时的；（4）一个二极管开路时的；（5）电容和一个二极管同时开路时的；（6）二极管所承受的最大反向电压。图7-10解：（1）全波整流电容滤波电路： （2）电容开路时：所以 （3）负载开

16、路时，电容只能被充电而不能放电，所以 （4）一个二极管开路时，电路相当于半波整流电容滤波电路，所以 （5）电容和一个二极管同时开路时，电路相当于半波整流电路，所以 （6）据表7-1，全波整流滤波电路二极管所承受的最大反向电压7-5 稳压管电路如图7-11所示，已知输入电压V，稳压管的，其正向压降不计。试画出输出电压的波形。图7-11解：首先掌握好稳压管的工作条件，判断方法如下：（1）两端加正向电压时，正向压降不计，所以相当于开关闭合；（2）两端加反向电压，且反向电压大于或等于稳压管的稳定电压UZ时，稳压管输出电压等于UZ；（3）两端加反向电压，且反向电压小于稳压管的稳定电压UZ时，稳压管截止，

17、相当于开关断开。根据上述三种情况按照实际电路可得出输出电压的波形。（1）图7-11（a）的三种情况：当时，稳压管两端为正向电压，相当于开关闭合，所以输出电压为零；当时，稳压管两端为反向电压，且小于稳压管的稳定电压UZ，稳压管截止，相当于开关断开，所以输出电压波形在此段内与相同；当时，稳压管两端为反向电压，且反向电压大于稳压管的稳定电压UZ，所以稳压管输出电压等于UZ=6V。波形如下(图7-11（c）)：图7-11（2）对图7-11（b）的分析方法同（1），波形如下(图7-11（d）)：图7-117-6 两只硅稳压管的稳压值分别为，其正向压降为0.7V。把它们串联相接可得到几种稳压值，各为多少？

18、解：此题的目的在于熟悉利用稳压管的不同接法来实现多种稳压值输出。（1）单独利用两只稳压管可分别得到6V和9V的稳定电压；（2）利用稳压管的正向电压0.7V可实现0.7V的稳定电压；（3）利用两个稳压管稳压值之差可实现3V的稳定电压；（4）分别利用两个稳压管的不同串接方式可实现6.7V、9.7V、15V的稳定电压，电路如图7-12（a）（b）（c）所示。（a）(b) (c)图7-12因此，把两个稳压管不同方式串联相接可得到三种稳定值，各为6.7V、9.7V、15V。7-7 测得工作在放大电路中几个三极管的三个电极对公共地端电压为、，对应数值分别为：（1），；（2），；（3），；（4），。判断它们是PNP型还是NPN型？是硅管还是锗管？同时确定三个电极E、B、C。解：判断准则：NPN型：集电极电位最高，发射极电位最低，；PNP型：发射极电位最高，集电极电位最低，。硅管：基极电位与发射极电位大约相差0.6V或0.7V；锗管：基极电位与发射极电位大约相差0.2V或0.3V。（1）NPN型，硅管，1B、2E、3C；（2）NPN型，锗管，1B、2E、3C；（3）PNP型，硅管，1C、2B、3E；（4）PNP型，锗管，1C、2B、3E；