2章-常用半导体器件及应用题解

第二章常用半导体器件及应用
一、习题 填空
1. 半导材料有三个特性，它们是 _______ 、 ______ 、 _____ 。

2. 在本征半导体中加入 ____ 元素可形成N 型半导体，加入 ______ 元素可形成P 型半导 体。

3. 二极管的主要特性是 ______________ 。

4. 在常温下，硅二极管的门限电压约为. 管的门限电压约为 _____ V ,导通后的正向压降约为
5. 在常温下，发光二极管的正向导通电压约为. 和寿命，其工作电流一般控制在
6. 晶体管(BJT)是一种 ____ 控制器件：场效应管是一种.
7. 晶体管按结构分有 ______ 和 _____ 两种类型。

8. ____________________ 晶体管按材料分有 和 两种类型。

NPN 和PNP 晶体管的主要区別是电压和电流的
不同。

晶体管实现放大作用的外部条件是发射结_、集电结_。

从晶体管的输出特性曲线来看，它的三个工作区域分別是
_______ 、 ____ 、 。

晶体管放大电路有三种组态
、 ______ 、 _______ 。

有两个放大倍数相同，输入电阻和输出电阻不同的放大电路A 和B,对同一个具有 内阻的信号源电乐进行放大。

在负载开路的条件下，测得A 放大器的输出电压小，这说明A 的输入电阻 ________ 。

14.三极管的交流等效输入电阻随 _______ 变化。

共集电极放大电路的输入电阻很 ,输出电阻很_-
射极跟随器的三个主要特点是 _____ 、 ____ 、 。

放大器的静态工作点由它的 决泄，而放大器的增益、输入电阻、输出电阻 决定。

18. 图解法适合于 ___________ ,而等效电路法则适合于 ______________ 。

19. 在单级共射极放大电路中，如果输入为正弦波，用示波器观察"。

和S 的波形的相 位关系为 ___ :当为共集电极电路时，则血和Ui 的相位关系为 ________ 。

20. 在NPN 共射极放大电路中，其输出电压的波形底部被削掉，称为 ________ 央真，原因 是Q 点 _____ (太高或太低)，若输出电压的波形顶部被削掉，称为 _________ 失真，原因是Q 点 ____ (太高或太低)。

如果其输出电压的波形顶部底都被削掉，原因是 _______________ 。

21. 某三极管处于放大状态，三个电极A 、B 、C 的电位分別为9V 、2V 和，则该三极管 属于—型，由 ______ 半导体材料制成。

22. 在题图电路中，某一元件参数变化时，将UcEQ 的变化情况(增加；减小：不变)填入 相应的空格内。

导通后的正向压降约为—V ：褚二极
V 。

V ，考虑发光二极管的发光亮度
V. mA 。

控制器件。

9. 10. 11. 12. 13.
15. 16・
17. 等由它的
{1) Rb 增加时， {2) Rc 减小时，
{3) Rc 增加时，
{4) Rs 增加时， (5)6增加时(换管子)，UcEQ 将.
UcEQ
将,
UciQ
将.
Uc€q
23・为了使结型场效应管正常工作，栅源间PN 结必须加 _______ 电压来改变导电沟道的 宽度，它的输入电阻比双极性晶体管的输入电阻—O
24. 由于晶体三极管 _________________________________ ,所以将它称为双极型器件, 由于场效应皆 ________________________________ ,所以将其称为单极型器件。

25. 对于耗尽型MOS 管，％可以为 _______________ 。

对于增强型N 沟逍MOS 管，% 只能为—，并且只有当—时，才能形有d
26. 场效应管与三极管相比较，其输入电阻_、噪声_、温度稳主性 _____________ 、放大 能力 ___ 。

27. 场效应管放大器常用偏置电路一般有 _______ 和 ______ 两种类型。

28. _____________________________________________________ 低频跨导gm 反映了场效应管_对_控制能力，其单位为 ___________________________________ O 解S (1)热敏、光敏、掺杂特性。

<2)五价、三价。

< 3)单向导电性。

(4 )、… (5) . (6)
电流型、电压型。

(7 ) NPN 、PNP 。

(8)错、硅。

(9 )极性和方向。

(10) 截止区、放大区、饱和区。

共射极、共基极、共集电极。

静态工作点。

高(大)、低(小)。

输入与输出同相、电压放大倍数约等于1、输入电阻大且输出电阻 直流通路、交流通路。

分析各点的电流、电压波形和非线性失真情况，一般用于大信号放 大电路；适宜于求解动态参数，一般用于小信号放大器分析。

(19) 反相、相同。

(20) 饱和、太高：截止、太低：输入信号过大。

(21) NPN 、硅。

正偏、反偏。

(11) (12)
(13) (14) (15) (16)
(17) (18)
增加、增加、减小、不变、减小。

反偏、高。

通过空穴和自由电子两种载流子参•与导电，只靠一种载流子(多子〉参与导电。

为正为负或者为零：为正；＞&勺训。

高、低、好、弱。

自给式、分压式。

U GS 、怙、西门子(ms 〉。

(A)多数载流子扩散形成 (C)少数载流子漂移形成 2. PN 结反向偏置电压的数值增大，但小于击穿电压时，(
(A)其反向电流增大 (B)其反向电流减小 (C)其反向电流基本不变 (D)其正向电流增大
3. 稳压二极管是利用PN 结的()。

(A)单向导电性 (B)反偏截止特性 (C)电容特性 (D)反向击穿特性
4. 变容二极管在电路中使用时，其PN 结应()。

(A)正偏
(B)反偏
答；1、A 2、C 3、D 4s B
写岀题图所示各■电路的输出电压值。

(设二极管均为理想二极管) 解：(a) 3V (b) OV (c)・3V (d) 3V 。

重复题，设二极管均为恒压降模型，且导通电斥&眉。

題图
解J (a) (b) OV (c) (d) 3Vo
.题图中的二极管均为理想二极皆，试判断其中二极管的工作状态(是导通还是截止)，并 求出Us
解：(a)导通、-5V (b) Di-tj Dz 均截止、-6V (c) D2 导通、6截止、5V 。

电路如题图所示，已知s=5sin3t(V),,试画出的波形，并标出幅值，分别使用二极管 理想模型和恒压降模型(U D =O
(22) (23) (24) (25) (26)
(27)
(28) 选择题
1.二极耸加正向电压时,
幷正向电流是由( (B)多数载流子漂移形成 (D)少数载流子扩散形成 3V*
3V^
Us
3k
(a)
(b)
(c)
玉+
T "T ；
(d)
解：因为输入电压高，应采用理想模型，输出波形如右图。

电路如题图所示，分别用理想二极管和恒压降模型(U D HI •算以下几种情况的&值。

(1) A=0V ： ⑵ A=0V ： ⑶ A=5V ： ⑷ A=1V ：
解:
+ R
W|
D 卫
2V 4"
Ho
2； ~\
■ 1 ■ » * * * V J
(b)理想模型 电路如题图⑻所示，4如图⑹所示，试画出"。

波形。

2.7V -- V
0 ------ \ ---- 亍
•i7V .. \ ____ /
J
lOOV
-100V
(b)
»0 lOOV
B=OV B=5V B=5V
B=2V
5
■题
解：A 、用理想模型
(1) OV (2) 0 (3) 5V (4) B 、用恒压降模型 (1) (2) (3) 5V (4)o
电路如题图所示，要求负载R L 电压S 保持在12V.负载电流可在lO-AOmA 范圉内变化。

已知稳斥二极管Uz=12V 、/zmin=5mA. /zmax=50mA,试确定R 取值范帀。

+
QKl. t/L
题图
解：U 尸U ・S84V 。

在负载电流最小时，流过Dz 电流为最大，此时应Mi^eOmA ：在负载电 4 4
流最大时，流过Dz 电流为最小，此时应ZRL^45mA ：所以——</?< ------------------- •即
0.06 0.045 66.67Q<7?<8&896
发光二极管驱动电路如题图所示，已知发光二极管的正向导通压降4=,工作电流为 5-lOmA,为使发光二极皆正常工作，试确企限流电阻/?的取值范用。

十5V D 乂
题图
5-£7 5 — U 5-f/
解：二极皆工作电流 /□=^—故二BfJ3400<y?<6800C
R
0.01 0.005
试画出使用共阴极七段数码管显示字符“5”的电路连接图。

己知放大电路中一只N 沟逍增强型MOS 场效应管三个极①、②.③的电位分别为3V 、 6V 、
9V,场效应管工作在恒流区。

试说明①、②、③与g 、S 、d 的对应关系。

解：①为S 、②为g 、③为d 。

IV
3= 16V 答：电路如右，R 为限流电阻
%
一个结型场效应管的转務特性曲线如题图所示。

(1) 试判断它是什么沟道的场效应管 (2) t/GS|off) % /DSS 徉为多少 答J (1)为N 沟道。

(2) U GSM F 、ZD5s=4mA
已知场效应管的输出特性曲线如题图所示，试画岀该管在恒流区U DS =6V 的转移特性曲 线。

<2)判断题图所示电路中的晶体管，分别处于什么工作状态或是否已损坏
fe/mA -4 U QI ^N
/
■■■T T .... 1 ... : ■ t ・ 1 ・・78s®0. :1 ・ ・ ・ ・ ・ 0 ・ ・ ■■■：
1 ・ ！ ！
・ • ・ ・ •
・ ・ ・
・ : ::: : i -0.4 f
• ♦ • • ・ ・ ・ ・ …*… y.r •
—k -0.6
题图
題图
解：加转移特性曲线如下图
/mA jb/mA ■8
&
&
Z-
.4
4
M3S=0.
0 -0,2 -0.4
-0・6-
~-0：5 -0：4 -0'.3 -0'.2 -0：1 ~~~~0)绳s/V
2__4
6
8__W~~12
判断题
(1)下面给出几组三极管处于放大状态的各■管脚的电位，试判断晶体管的类型及材料
(1)
(2)
(3)
,2V, 5V -5Vr -10V 八8V IV,, 10V 8V,, 3V
解:放大状态下NPN 管E 、B 、CZ 间的电位关系是Vc>UB>Vet 且"BE 心是硅管、"BE a 是错管J PNP 管E 、B 、CZ 间的电位关系是V E >V S > V C .且"BE a 是硅皆、U BE 是错管。

故(1)分别为B 、E 、C.且为NPN 硅管。

(2) (3)
(4)
(5)
分别为E 、 分別为B 、 分別为B 、 分别为E 、 B 、 E. E. C, C, C, C, 且为PNP 硅管。

且为NPN 错管。

且为NPN 硅管。

且为PNP 硅管。

・3 ■2
0.5 0；4 0：3 0：2 0；1
jfo/mA
2
4 6 8 10 12 iWV
tbs=6V
解：第一只为放大状态。

满足发射结正偏、 第二只为截止状态。

因为发射结零偏置。

第三只为饱和状态。

因为发射结和集电结均正偏。

第四只为截止状态。

因为发射结反偏。

第五只为损坏。

因P BE 卜2V>>。

（3）判断题图所示电路对正弦信号是否有放大作用如果没有放大作用，则说明原因并 改正电路（设电容对交流视为短路）。

+V8
R 、 CZ]——t- +
解：（a ）不能放大，缺少基极正偏电阻，
（b ）也不能放大，输入信号被F BB 吸收而不能加到发射结上，改正如下图（b ）o （C ）不能放大，缺少集电极回路电阻，改正如下图（C ）。

2.5V OV
2V
題图 集电结反偏。

R cz^
IS
-- •*Vcc
C
U Q
改正如下图（a ）o
23V
23V 2V OV
（d）不能放大，缺少基极偏置电流，改正如下图（d）。

② Rc 开路 ③ &短路 ④ Rc 短路 ⑤ 6过大 ⑥ 6过小 答：②、①或④
(5)题图所示为放大电路的直流通路，晶体管均为硅管，判断^$晶体管工作在哪个区(放 大
区、截止区、饱和区)。

解：(a)该放大晶体管中％r = /BQRB+O ・7 + (l + 0”BQ&：，故/BQ 855U A 。

设晶体管 处于放大状态，则A Q =0人Q= 5.46mA, UcEQ^x (10+2)=.由此可见该晶体管集电结已 经正偏，上述假设不成立，管子实际处于深度饱和状态。

OA
9 — 0 7
(b) U.^\2x —
=2V,故 L.,
^―— = 0.65mA ,
R 、
-- •Wcc
(b) I "Vcc
$<7
T /Ju
(d)
(4)在题图所示电路中，用宜流电压表测出U G 旳，有可能是因为( 有可能是因为(
)»
①Rb 开路 人若
Uce-12V,
题图
题
B 100 + 20 (Q g 2
^>CEQ=^»2-0.65X(3+1)=9.4V，显然该晶体管发射结正偏、集电结反偏，工作在放大区。

综合练习题
电路如题图(a)所示，设电容对交流均视为短路，U BEQ=. 6 = 100. Abb'=200Qo⑴估算该电路的UcEQ：⑵画出微变等效电路：⑶计算交流参数An Ri、ffo：若出现如图(b)所示失克
的输出波形，回答该失覓波形是什么失真应调整电路中哪个元件如何调整
& =-0&
、//血=-[0&5,
K=/?h//*^ul ・383K, R°=&=3K,失貞属于饱和
失真，应增大Rb 。

电路如题图所示，晶体管的6=100. fbe=lKQ»要使t7«q=6V, Rb 大约为多少要使Au=-100,
R L 应为多少
19 — 07
解：因
- 0/BQ X&=6V,故 /cQ=2mA, R,=
=565K ：要使
& =-100,则 &•//&广IK,即7?1 =L5Ko
电路如题图所示，晶体管为硅材料，其6=100, ⑴ 求 OcEQ' Au 、Rl 、R QO
⑵ 求电容G 开路情况下的Al 、fli. Ro.
<1) 12-0.7
匕=贡-=22」6讥 /ex, = 2.22mA,
b
/•EQ = H CC -0/BQ X&= 5.35 V
(2) (3)
'『如（心）^^=1屈KO
rbe=lKQo （设电容对交流视为短路）
1 3Kdl
30K OlJ
____________ ±1}
Cl 锂6
“1）儿6.眾0[| I 昴
题图
----- +Vcc (+I2V) Q +
A c
解：①
£/… ^12x ^2V B 30 + 6.2
t/cEQ ^12-1.18x(1+ 0.1+ 3)=7.16V
② 一 0&//竝=_i3 64 r 「(l + 0)K
R© = Rf = 3K o
③若Ce 开路，人=一——0RJR'——
' 氐+(1+0)(&+凡) 尺=凡|//尺#［氐+(1 + 0)(&+尺)］轴 4.91K 。

在题图所示电路中，已知晶体管的6=200, 4E =，U CES =O
⑴在下列情况下，用直流电压表测量晶体管的集电极电位，应分别是多少
①正常情况；②Rbi 开路；③Rbj 短路：④Rb2开路：⑤脳短路：⑥底开路：⑦Rc 短路。

⑵在对题图所示电路进行实验时有6个同学在实验中用直流电压表测出晶体管徉极对 地电位如题表所示，试分析外电路的直流工作状态是否合适，若不合适，试分析原因 題表
(1) 求该电路的最大输出电压幅值"onv 并估算弘阻值应调为多少
(2) 计算该电路的氐、R,、R Q ：
2-0 7
故严TTUyFE 诅
=人|//人〃[氐 +(1 + 0)&]轴 3.5K
=—1・34 , /?0 = Rf =3K »
ffbi ] 3剧 43KQ[] G
1
(^12V
攻)
10
神
眾冲 □lo^b ■ -4 s lofen
c W2V) q
mi_*
題图
3K Q D
題图
在题图所示电路中，已知晶体管的6=200.
r. = 2000» U K —9 U C ^—O bo
(3)在输出电压幅值如m最大的基础上，若分别调整Rp到最大或最小时，输出波形将如何变化对应的失真称为什么失真
解：(1) M大输出时有 UcBQ-UcES=ZgX/?r
又 UcEQ = $ - "cQ X(& +应) 即最大不失真输出时的V；・C-
/CQ X(&+4J・U CCS=/CQ X&：
V -U
2 CC f出二(mA)
& +&・ + &：
2.22V
故».«n
根据分压公式求得R PN23K
<2) E =200 + (1 + 0)"(jV)2・7Kn
' "丿 2・09(mA)
R、=RJRM/2K
凡=& =3K
(3)R,变大会出现波形顶部限幅失真，称为截I匕失真：当Rp变小会出现波形底部限幅失真，称为饱和失真。

电路如题图所示，晶体6=100. n,e=lKQ,
(1)求 Ucg：
(2)求出R L分别为X和3KQ时电路的久、Ri、ftoo
解：(1)因V^=4<A+U BE+/EQ&=/B(A+U BE+(1+0)/BO&，故
BQ _ R +(]+0)R，'cQ = 0/B Q，"cEQ = ^CC _ ^EQ^c务以 C _ ^CQ^c = 6.38V
(2)当R亍8时，人=——医—— = 0,987，氏=尽7/[氐+(1 + 0)&卜150K，RZ"呼 ZE
吕5%飞+駕負〃叮。

阳,Rg 〃［“WMZZOK,
1+0
电路如题图所示，晶体管"100, rbe=lKQ. U BE=，电容G、Q、G均足够大。

(1)求 Ucg:
(2)JjcAui、&u2、R］、R。

】. fto2
题图
解：(1〉因 =/BQ 久+U BE +(1 + 0)/BQ 心故/BQ = R :ji + jk ' lg = pig "cEQ "a'-/EQ(«+&)= &65V o
<2)对于u<n 输出端，是一个共射放大器。

九"—
"1，R 严砒/［氐+(1 + 0)&卜 145.2IC 凡= &=2K 。

氐+(| + ")/
对于对于“02输出端，是一个共集放大器。

A =——徑——"，R=/V/k^+(l+0)Rlal45・2K, 6 氐+(1 + 0)人 《 + Li a C 」
R =R
° Q 1 + 0
某场效应管放大电路和转移特性如图(a)、(b)所示。

已知gn=6ms.试估算&口凡、 Ri 、/?0°
题图
解：/pQ = /D SS(1—"G SQ ' "G SQ = 一'DQ K 。

由图 b 可知，式中 ‘DSS = ，
Qsuun = -0.5 ,带入求解/…Qi = 6.05mA (增根舍去)
‘DQJ = 1 .OSmA * U D SQ= VoD — /DQ(/?d"l" Rs)=o
Au= — ffmfid = ~ 6x=—, fl 产 Rg=2M, /?o=Rd=。

二、设计项目
项目埋设电缆断线检测仪
设计一个能够对埋设在墙内或地板下的220V 电源线断线情况进行检测的装置，使用直 流电源供电，利用发光二极管作为指示，当装置靠近电源线周帀时发光二极管点亮，若墙内
化C +12V
30^Q D C\
-iM
题图
Vcc U BE
没有导线或已经断线时，检测发光二极管熄火。

根据上述要求，试设讣岀电路并确左基本元 件参数，井阐明工作原理。

提示：该题目可使用场效应管、双极性三极管、发光二极管等元器件。

带电的电缆产生 的电场辐射可视为一个内阻非常高的低频(50Hz)l.'i 号源。

电路设计思路是可用场效应管将埋 设电缆是否断线产生的电场变化转换为电压的变化，经过晶体管放大，由发光二极管的亮暗 反映岀埋设电缆断线处。

该项目的组成可参考框图。

解：参考电路
---- VCC
D3
、
GKD
B2
GUD
GOT)
场效应皆等T1构成探测放大器，栅极金属探针“sensor”感应到的微弱市电信号经过 其构成的共源放大器放大后，经过漏极电位器调整幅度后输出由Cl 、Di 、D2、C2、R3等构 成的二倍压整流电路变换为直流电压信号，当该电压高于T3、T2的发射结导通电压时，T3 与T2达林顿管开始导通，集电极电流I 。

驱动D3发光二级管点毘，表明探针附近有髙压电 线：当电线断开或距离探针较远时，感应放大后输出的信号不足以使得T3、T2导通，LED 指示灯熄灭，达到了断线检测的目的。

项目2：触摸式防盗报警器
设计一个触摸式防盗报警装置，使用直流电源供电，触摸感应器为一小金属片，当有人 触摸它一次时，蜂鸣器发声，持续发出报警信号，直到断开电源为止。

根据上述要求，试设 汁出电路并确＞^基本元件参数，并阐述工作原理。

提示：该题目可使用场效应管、双极性三极管、可控硅等元器件。

电路设计思路是可用 场效应管将人体感应信号转换为电压的变化，经过晶体管放大，触发可控硅，再接通报警电 路。

该项目的组成可参考框图。

sensor
D]
GND
OJID GWD
图埋设电缆断线检测仪框
n
1
T
士C2
GWD
图P 触摸式防盗报普器框
答：参考电路如下：
图中T1等构成场效应管放大电路，调节电位器&的参数使匚平时处于微导通状态，R. 上的压降54很小，「可控硅处于截止状态，蜂鸣器不发声报警。

当人手触摸信号经过「放大后输出给门基极，使匚导通，S4升高TV导通，蜂鸣器发声报警，直到断开电源Vcc 为止。

电容G 为旁路电容、Q有减少误触发作用、Q为电源退耦电容。