电子技术(第6版)习题答案第一章答案

电子技术(第6版)习题答案第一章答案1.1本征半导体是完全纯净、结构完整的半导体晶体，其载流子由本征激发产生，即价带电子获得足够能量跃迁到导带，形成电子-空穴对。在热力学温度T时，本征载流子浓度n_i满足n_i²=A₀T³exp(-E_g/(kT))，其中A₀为常数，E_g为禁带宽度，k为玻尔兹曼常数。例如，300K时硅的n_i约为1.5×10¹⁰cm⁻³，锗的n_i约为2.4×10¹³cm⁻³，可见锗的本征激发更显著。掺杂半导体通过掺入杂质改变载流子浓度：N型半导体掺入五价元素（如磷），杂质原子释放自由电子，成为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），多子浓度n_n≈N_D（掺杂浓度），少子浓度p_n≈n_i²/N_D；P型半导体掺入三价元素（如硼），杂质原子接受电子形成空穴，空穴为多子（p_p≈N_A），电子为少子（n_p≈n_i²/N_A）。例如，当硅中掺入10¹⁶cm⁻³的磷时，n_n≈10¹⁶cm⁻³，p_n≈(1.5×10¹⁰)²/10¹⁶≈2.25×10⁴cm⁻³，少子浓度远低于多子。1.2半导体中载流子的运动有两种方式：扩散运动和漂移运动。扩散运动由载流子浓度差引起，从高浓度区向低浓度区迁移，形成扩散电流（电子扩散电流方向与电子运动方向相反，空穴扩散电流方向与空穴运动方向相同）。漂移运动由外加电场引起，载流子在电场力作用下定向移动，形成漂移电流（电子漂移电流方向与电场方向相反，空穴漂移电流方向与电场方向相同）。在PN结平衡状态下，扩散电流与漂移电流大小相等、方向相反，总电流为零。当PN结外加正向电压（P区接正，N区接负）时，外电场削弱内建电场，扩散运动增强，漂移运动减弱，形成较大的正向电流；外加反向电压（P区接负，N区接正）时，外电场增强内建电场，扩散运动被抑制，仅少数载流子漂移形成微小的反向饱和电流（约10⁻⁹~10⁻⁶A）。1.3二极管的伏安特性可分为正向特性、反向特性和反向击穿特性三部分。正向特性中，当正向电压小于死区电压（硅管约0.5V，锗管约0.1V）时，电流几乎为零；超过死区电压后，电流随电压指数增长，导通时正向压降基本稳定（硅管约0.7V，锗管约0.3V）。反向特性中，反向电压小于反向击穿电压时，反向电流很小且基本不随电压变化（反向饱和电流I_S）；当反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧增大，发生击穿（电击穿可逆，热击穿不可逆）。温度对二极管特性的影响表现为：温度每升高1℃，正向压降约减小2~2.5mV；温度每升高10℃，反向饱和电流约增大一倍。例如，300K时硅管的I_S约为1nA，400K时I_S≈1nA×2^(100/10)=1μA。1.4电路如图（假设为二极管限幅电路，输入正弦波V_i=10sinωtV，二极管D为硅管，串联电阻R=1kΩ，反向并联直流电源V_D=5V）。分析时采用恒压降模型（导通时V_D=0.7V）。当V_i>V_D+0.7V=5.7V时，二极管导通，输出电压V_o=V_D+0.7V=5.7V；当V_i<-0.7V时，二极管截止（假设另一支路无二极管，输出由R和地决定），V_o≈V_i（若反向有钳位二极管则V_o=-0.7V）；当-0.7V≤V_i≤5.7V时，二极管截止，V_o=V_i。因此，输出波形被限制在-0.7V到5.7V之间。1.5三极管的三个工作区域为放大区、饱和区和截止区。放大区条件：发射结正偏（V_BE>0，硅管约0.7V），集电结反偏（V_BC<0，即V_C>V_B），此时I_C=βI_B，具有电流放大作用。饱和区条件：发射结和集电结均正偏（V_BC≥0，即V_C≤V_B），此时I_C不再随I_B线性增加，饱和压降V_CES很小（硅管约0.3V）。截止区条件：发射结反偏或零偏（V_BE≤0），此时I_B≈0，I_C≈I_CEO（穿透电流，可忽略），三极管相当于断开。例如，某NPN管电路中，V_CC=12V，R_b=500kΩ，R_c=2kΩ，β=50。计算I_B=(V_CCV_BE)/R_b≈(12-0.7)/500k≈22.6μA，I_C=βI_B≈1.13mA，V_CE=V_CCI_CR_c≈12-1.13×2≈9.74V（V_C>V_B=0.7V），故工作在放大区。若R_b减小到100kΩ，I_B≈(12-0.7)/100k≈113μA，I_C=βI_B=5.65mA，V_CE=12-5.65×2≈0.7V（V_C=V_B=0.7V），进入饱和区。1.6三极管的电流分配关系为I_E=I_B+I_C，其中I_C=βI_B+I_CEO（I_CEO为穿透电流，约(1+β)I_CBO，I_CBO为集电结反向饱和电流）。小功率管中I_CEO可忽略，近似I_C≈βI_B。共基极电流放大系数α=I_C/I_E≈β/(1+β)（β>>1时α≈1）。例如，某三极管β=100，I_CBO=1μA，则I_CEO=(1+100)×1μA=101μA。当I_B=20μA时，I_C=100×20μA+101μA≈2.1mA，I_E=20μA+2.1mA≈2.12mA，α=2.1/2.12≈0.99。1.7场效应管（FET）与双极型三极管（BJT）的主要区别：（1）载流子类型：FET仅一种载流子（电子或空穴）参与导电（单极型），BJT有电子和空穴两种载流子（双极型）。（2）控制方式：FET为电压控制器件（输入电压控制输出电流，栅极电流≈0），BJT为电流控制器件（输入电流控制输出电流，基极电流较大）。（3）输入阻抗：FET输入阻抗极高（约10⁹~10¹⁴Ω），BJT输入阻抗较低（约10³~10⁴Ω）。（4）温度稳定性：FET受温度影响较小（无少子参与，I_D对温度的敏感性低于I_C），BJT的β和I_CEO随温度变化显著。（5）噪声：FET噪声较低（无少子复合噪声），BJT噪声较高。1.8半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其本质原因是禁带宽度较小（硅约1.1eV，锗约0.67eV），温度或光照可激发电子跃迁到导带，产生导电载流子。掺杂可显著改变导电能力：N型半导体通过施主杂质提供自由电子，P型半导体通过受主杂质提供空穴，掺杂浓度越高，导电能力越强。例如，本征硅的电导率约4.3×10⁻⁴S/cm，掺入10¹⁶cm⁻³磷后，电导率≈n_nqμ_n≈10¹⁶×1.6×10⁻¹⁹×1350≈2.16S/cm（μ_n为电子迁移率），提高了约5000倍。1.9分析图1.9（假设为三极管共射放大电路，V_CC=15V，R_b=300kΩ，R_c=3kΩ，三极管β=50，V_BE=0.7V）的静态工作点。静态时，I_B=(V_CCV_BE)/R_b=(15-0.7)/300k≈47.7μAI_C=βI_B=50×47.7μA≈2.385mAV_CE=V_CCI_CR_c=152.385×3≈7.845V因此，静态工作点Q为(I_B=47.7μA,I_C=2.385mA,V_CE=7.845V)，位于放大区（V_CE>V_BE，集电结反偏）。若R_b开路，I_B=0，I_C≈0，V_CE≈V_CC=15V，三极管截止；若R_c短路，V_CE=V_CC0=15V，但I_C=(V_CCV_BE)/R_b×β≈(15-0.7)/300k×50≈2.385mA（实际因R_c=0，V_C=V_B=0.7V，集电结正偏，进入饱和区，I_C≈V_CC/R_c（但R_c=0时电流极大，可能烧毁器件）。1.10设计一个二极管稳压电路，要求输出电压V_o=5V，负载电流I_L=0~50mA，输入电压V_i=10~15V。选择稳压二极管时，需满足V_Z=5V，最大耗散功率P_ZM≥V_Z×(I_ZM)，其中I_ZM≥I_Lmax+I_Rmin（I_R为限流电阻电流）。假设限流电阻R的电流I_R=I_Z+I_L，当V_i最小（10V）时，I_Rmin=I_Zmin+I_Lmax（I_Zmin为稳压管最小工作电流，约5mA），则R=(V_i_minV_Z)/I_Rmax=(10-5)/(I_Zmax+I_Lmin)（需平衡各工况）。取R=(15-5)/(50mA+10mA)=10/0.06≈167Ω（选150Ω），验证：当V_i=10V，I_R=(10-5)/150≈33.3mA，I_Z=I_RI_L=33.3mA50mA（负，不满足），故需调整R=(10