第一章 半导体二极管及其应用典型例题

第一章半导体二极管及其应用【例1-1】分析图所示电路的工作情况，图中I为电流源，I=2mA。

设20℃时二极管的正向电压降U D=660mV，求在50℃时二极管的正向电压降。

该电路有何用途？电路中为什么要使用电流源？【相关知识】二极管的伏安特性、温度特性，恒流源。

【解题思路】推导二极管的正向电压降，说明影响正压降的因素及该电路的用途。

【解题过程】该电路利用二极管的负温度系数，可以用于温度的测量。

其温度系数–2mV/℃。

20℃时二极管的正向电压降U D=660mV50℃时二极管的正向电压降U D=660 –（2´30）=600 mV因为二极管的正向电压降U D是温度和正向电流的函数，所以应使用电流源以稳定电流，使二极管的正向电压降U D仅仅是温度一个变量的函数。

【例1-2】电路如图(a)所示，已知，二极管导通电压。

试画出u I与u O的波形，并标出幅值。

图(a)【相关知识】二极管的伏安特性及其工作状态的判定。

【解题思路】首先根据电路中直流电源与交流信号的幅值关系判断二极管工作状态；当二极管的截止时，u O=u I；当二极管的导通时，。

【解题过程】由已知条件可知二极管的伏安特性如图所示，即开启电压U on和导通电压均为0.7V。

由于二极管D1的阴极电位为＋3V，而输入动态电压u I作用于D1的阳极，故只有当u I高于＋3.7V时 D1才导通，且一旦D1导通，其阳极电位为3.7V，输出电压u O=＋3.7V。

由于D2的阳极电位为－3V，而u I作用于二极管D2的阴极，故只有当u I低于－3.7V时D2才导通，且一旦D2导通，其阴极电位即为－3.7V，输出电压u O=－3.7V。

当u I在－3.7V到＋3.7V之间时，两只管子均截止，故u O=u I。

u I和u O的波形如图(b)所示。

图(b)【例1-3】某二极管的反向饱和电流，如果将一只1.5V的干电池接在二极管两端，试计算流过二极管的电流有多大？【相关知识】二极管的伏安特性。

【解题思路】（1）根据二极管的伏安特性求出流过二极管的电流。

（2）根据二极管两端的电压及流过二极管的电流求出二极管的等效直流电阻。

【解题过程】如果将干电池的正、负极分别与二极管的阴极、阳极相接，二极管反向偏置，此时流过二极管的电流等于。

反之，流过二极管的电流等于：此时二极管的等效直流电阻为：实际上电池的内阻、接线电阻和二极管的体电阻之和远远大于R D，流过二极管的电流远远小于计算值。

电路中的电流值不仅仅是由二极管的伏安特性所决定，还与电路中的接线电阻、电池的内阻和二极管的体电阻有关。

通常这些电阻都非常小，足以使二极管和干电池损坏。

因此，实际应用时电路中必须串接适当的限流电阻，以防损坏电路元器件。

【例1-4】电路如图（a）所示，二极管的伏安特性如图（b）所示，常温下U T≈26mV，电容C对交流信号可视为短路；u i为正弦波，有效值为10 mV。

试问：（1）二极管在u i为零时的电流和电压各为多少?（2）二极管中流过的交流电流有效值为多少？【相关知识】（1）二极管静态、动态的概念，小信号作用下动态电阻的求解。

（2）图解法。

【解题思路】（1）首先分析静态电流和电压，即静态工作点Q。

（2）求出在Q点下的动态电阻，分析动态信号的作用。

【解题过程】（1）利用图解法可以方便地求出二极管的Q点。

在动态信号为零时，二极管导通，电阻R中电流与二极管电流相等。

因此，二极管的端电压可写成为u D=V − i D R在二极管的伏安特性坐标系中作直线（u D=V−i D R），与伏安特性曲线的交点就是Q点，如(b)所示。

读出Q点的坐标值，即为二极管的直流电流和电压，约为U D≈0.7 V，I D≈26 mA（2）Q点下小信号情况下的动态电阻为r d≈U T/ I D = (26/2.6)Ω=10 Ω根据已知条件，二极管上的交流电压有效值为10 mV，故流过的交流电流有效值为I D = U i/ r d =(10/10) mA=1 mA图（c）【常见错误】二极管静态、动态的概念不清楚。

（1）认为二极管两端的电压始终为0.7V，不会根据具体的伏安特性分析二极管的静态电压和电流。

（2）计算动态电阻时用直流电阻代替，即认为r d≈U D/ I D。

【例1-5】电路如图（a）所示。

设输入信号，，二极管导通压降可以忽略不计，试分别画出输出电压的波形。

图 (a)【相关知识】二极管的伏安特性及其工作状态的判断。

【解题思路】（1）判断二极管的工作状态。

（2）当二极管导通时u O=V C；当二极管截止时u O=u I。

.【解题过程】在图（a）所示电路中，当二极管断开时，二极管两端的电压等于。

所以当时，二极管截止，当时，二极管导通，由此画出输出电压的波形如图（b）所示。

图 (b)【例1-6】在图示电路中，设二极管正向导通时的压降为0.7V，试估算a点的电位。

【相关知识】（1）二极管的线性等效模型。

（2）二极管的工作状态判断方法。

【解题思路】（1）要先判定二极管的工作状态（导通、截止）。

（2）选用合适的二极管线性等效模型。

（3）利用线性电路的方法进行分析计算。

【解题过程】首先分析二极管开路时，管子两端的电位差，从而判断二极管两端加的是正向电压还是反向电压。

若是反向电压，则说明二极管处于截止状态；若是正向电压，但正向电压小于二极管的死区电压，则说明二极管仍然处于截止状态；只有当正向电压大于死区电压时，二极管才能导通。

在图示电路中，当二极管开路时，二极管两端的正向电压，二极管反向偏置，处于截止状态，故。

【例1-7】电路如图（a）所示。

设电路中的二极管为硅管，输入信号，，电容器C对交流信号的容抗可以忽略不计，试计算输出电压的交流分量。

图 (a)【相关知识】（1）二极管的微变等效模型。

（2）二极管电路的分析方法。

【解题思路】（1）对二极管电路进行直流分析。

（2）对二极管电路进行交流分析。

【解题过程】因为二极管电路中同时存在较大的直流电源和微变的交流信号，应首先假设交流信号为零（），对电路进行直流分析。

在图（a）电路中，当令、电容器C开路时，采用二极管的恒压模型计算出流过二极管的直流电流由此可估算出二极管的动态电阻。

然后利用二极管的微变等效模型分析计算其交流分量。

在进行交流分析时，令直流电源和电容器C短路，二极管D用交流等效电阻r d代替。

此时，图（a）电路的交流等效电路如图（b）所示。

图 (b) 由图（b）可得输出电压交流分量为。

【例1-8】设本题图所示各电路中的二极管性能均为理想。

试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两点之间的电压ＵAB值。

【相关知识】二极管的工作状态的判断方法。

【解题思路】（1）首先分析二极管开路时，管子两端的电位差，从而判断二极管两端加的是正向电压还是反向电压。

若是反向电压，则说明二极管处于截止状态；若是正向电压，但正向电压小于二极管的死区电压，则说明二极管仍然处于截止状态；只有当正向电压大于死区电压时，二极管才能导通。

（2）在用上述方法判断的过程中，若出现两个以上二极管承受大小不等的正向电压，则应判定承受正向电压较大者优先导通，其两端电压为正向导通电压，然后再用上述方法判断其它二极管的工作状态。

【解题过程】在图电路中，当二极管开路时，由图可知二极管D1、D2两端的正向电压分别为10V和25V。

二极管D2两端的正向电压高于D1两端的正向电压，二极管D2优先导通。

当二极管D2导通后，U AB=－15V，二极管 D1两端又为反向电压。

故D1截止、D2导通。

U AB=－15V。

【例1-9】硅稳压管稳压电路如图所示。

其中硅稳压管D Z的稳定电压U Z=8V、动态电阻r Z可以忽略，U I=20V。

试求：(1) U O、I O、I及I Z的值；(2) 当U I降低为15V时的U O、I O、I及I Z值。

【相关知识】稳压管稳压电路。

【解题思路】根据题目给定条件判断稳压管的工作状态，计算输出电压及各支路电流值。

【解题过程】(1) 由于＞U Z稳压管工作于反向电击穿状态，电路具有稳压功能。

故U O=U Z=8VI Z= I－I O=6－4=2 mA(2) 由于这时的＜U Z稳压管没有被击穿，稳压管处于截止状态。

故I Z=0【例1-10】电路如图(a)所示。

其中未经稳定的直流输入电压U I值可变，稳压管D Z采用2CW58型硅稳压二极管，在管子的稳压范围内，当I Z为5mA时，其端电压U Z为10V、为20Ω，且该管的I ZM为26mA。

(1) 试求当该稳压管用图(b)所示模型等效时的U Z0值；(2) 当U O =10V时，U I应为多大？(3) 若U I在上面求得的数值基础上变化±10%，即从0.9U I变到1.1U I，问U O将从多少变化到多少？相对于原来的10V，输出电压变化了百分之几？在这种条件下，I Z变化范围为多大？(4) 若U I值上升到使I Z=I ZM，而r Z值始终为20Ω，这时的U I和U O分别为多少？(5) 若U I值在6~9V间可调，U O将怎样变化？图 (a) 图 (b)【相关知识】稳压管的工作原理、参数及等效模型。

【解题思路】根据稳压管的等效模型，画出等效电路，即可对电路进行分析。

【解题过程】(1) 由稳压管等效电路知，(2)(3) 设不变。

当时当时(4)(5) 由于U I＜U Z0，稳压管D Z没有被击穿，处于截止状态故U O将随U I在6~9 V之间变化【例1-11】电路如图(a)、(b)所示。

其中限流电阻R=2，硅稳压管D Z1、D Z2的稳定电压U Z1、U Z2分别为6V和8V，正向压降为0.7V，动态电阻可以忽略。

试求电路输出端A、B两端之间电压U AB的值。

图(a) 图(b)【相关知识】稳压管的伏安特性。

【解题思路】（1）判断稳压管能否被击穿。

（2）若稳压管没有被击穿，判断稳压管是处于截止状态还是正向导通状态。

【解题过程】判断稳压管的工作状态：（1）首先分析二极管开路时，管子两端的电位差，从而判断二极管两端所加的是正向电压还是反向电压。

若是反向电压，则当反向电压大于管子的稳定电压时，稳压管处于反向电击穿状态。

否则，稳压管处于截止状态；若是正向电压，但当正向电压大于其的死区电压时，二极管处于正向导通状态。

（2）在用上述方法判断的过程中，若出现两个以上稳压管承受大小不等的电压时，则应判定承受正向电压较大者优先导通，或者在同样的反向电压作用下，稳定电压较小者优先导通，然后再用上述方法判断其它二极管的工作状态。

根据上述稳压管工作状态的判断方法：在图(a)示电路中，当管开路时，二个管子两端的反向电压均为20V。

由于稳压管D Z1的稳定电压低，所以D Z1优先导通。

当稳压管D Z1导通后，U AB= U Z1 =6 V，低于稳压管D Z2的击穿电压。