电子技术模电第一章作业参考

1.1 学习指导 1.1.1 PN结

1．半导体的导电特征

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。纯净的半导体称为本征半导体，其导电能力在不同的条件下有着显著的差异。本征半导体在温度升高或受光照射时产生激发，形成自由电子和空穴，使载流子数目增多，导电能力增强。

杂质半导体是在本征半导体中掺入杂质元素形成的，有N型半导体和P型半导体两种类型。N型半导体是在本征半导体中掺入五价元素形成的，自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。P型半导体是在本征半导体中掺入三价元素形成的，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。杂质半导体的导电能力比本征半导体强得多。

2．PN结及其单向导电性

在同一硅片两边分别形成N型半导体和P型半导体，交界面处就形成了PN结。PN的形成是多数载流子扩散和少数载流子漂移的结果。PN结具有单向导电性： PN结加正向电压（P区接电源正极，N区接电源负极）时，正向电阻很小，PN结导通，可以形成较大的正向电流。PN结加反向电压（P区接电源负极，N区接电源正极）时，反向电阻很大，PN结截止，反向电流基本为零。 1.1.2 半导体二极管

在PN结的两端各引出一个电极便构成了半导体二极管。由P区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极称为阴极或负极。二极管的核心实质是一个PN结。

1．二极管的伏安特性

（1）正向特性。正向电压小于死区电压（硅管约为0.5Ｖ，锗管约为0.2Ｖ）时二极管截止，电流几乎为零。正向电压大于死区电压后二极管导通，电流较大。导通后的二极管端电压变化很小，基本上是一个常量，硅管约为 0.7Ｖ，锗管约为0.3Ｖ。

（2）反向特性。反向电压在一定范围内时二极管截止，电流几乎为零。反向电压增大到反向击穿电压UBR时，反向电流突然增大，二极管击穿，失去单向导电性。

2．二极管的主要参数

（1）最大整流电流IOM。指二极管长期使用时允许通过的最大正向平均电流。 （2）反向工作峰值电压UDRM。指二极管使用时允许加的最大反向电压。 （3）反向峰值电流IRM。指二极管加上反向峰值电压时的反向电流值。

（4）最高工作频率fM。指二极管所能承受的外施电压的最高频率。

二极管在电路中主要用于整流、限幅、钳位等。整流是将输入的交流电压变换为单方向脉动的直流电压，限幅是将输出电压在某一数值以内，钳位是将输出电压在某一特定的数值上。

3．特殊二极管

（1）稳压管。稳压管的反向击穿特性曲线比普通二极管陡，正常工作时处于反向击穿区，且在外加反向电压撤除后又能恢复正常。稳压管工作在反向击穿区时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小，所以能起稳定电压的作用。如果稳压管的反向电流超过允许值，将会因过热而损坏，所以与稳压管配合的电阻要适当，才能起稳压作用。稳压管除用于稳压外，还可用于限幅、欠压或过压保护、报警等。

（2）光电二极管。光电二极管用于将光信号转变为电信号输出，正常工作时处于反向工作状态，没有光照射时反向电流很小，有光照射时就形成较大的光电流。

（3）发光二极管。发光二极管用于将电信号转变为光信号输出，正常工作时处于正向导通状态，当有正向电流通过时，电子就与空穴直接复合而发出光来。

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4．二极管应用电路的分析方法

（1）判断二极管是导通还是截止。判断方法是：假设将二极管开路，计算接二极管阳极处的电位UA和接二极管阴极处的电位UK。当将二极管视为理想元件（即忽略二极管正向压降和反向漏电流）时，若UA≥UK，则接上二极管必然导通，其两端电压为零。否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。当计及二极管的正向压降UD时，若UA-UK≥UD，则接上二极管必然导通，其两端电压通常硅管取 0.7Ｖ，锗管取0.2Ｖ。否则接上二极管必然截止，其反向电流为零。

（2）由二极管的工作状态画出等效电路，由于在等效电路中不含二极管，故可根据电路分析方法（如支路电流法、叠加定理、戴维南定理等）分析计算。

例如，在如图1.1（a）所示电路中，设二极管VD的正向电阻为零，反向电阻为无穷大，试求A点电位UA。

将二极管断开，得电路如图1.1（b）所示，此时A、K两点的电位分别为：

UUKOAO6040（V）

30606020202020（V） 202060因为UAO>UKO，所以如图1.1（a）所示电路中的二极管是导通的，可以用短路线代替，如图1.1（c）所示，运用节点电压法即可求出A点电位为：

60UA20120+60V+60V1202016030160+60V+60V40（V）

2030+60V+60V30ΩVDA60Ω20ΩK20ΩA30Ω20ΩKA30Ω20ΩK60Ω20Ω60Ω20Ω-20V(a)(b)-20V(c)-20V

图1.1 二极管电路计算示例

1.1.3 双极型三极管 1．结构与工作原理

双极型三极管简称晶体管或三极管，有NPN型和PNP型两种类型。晶体管有发射区、基区和集电区3个区，从这3个区分别引出发射极E、基极B和集电极C，基区和发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结。 晶体管具有电流放大作用的内部条件是：

（1） 发射区的掺杂浓度大，以保证有足够的载流子可供发射。

（2） 集电区的面积大，以便收集从发射区发射来的载流子。

（3） 基区很薄，且掺杂浓度低，以减小基极电流，即增强基极电流的控制作用。

晶体管实现电流放大作用的外部条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。对NPN型晶体管，电源的接法应使3个电极的电位关系为UCUBUE。对PNP型晶体管，则应使UCUBUE。

工作于放大状态的晶体管，基极电流IB远小于集电极IC和发射极电流IE，只要发射结电压UBE有微小变化，造成基极电流IB有微小变化，就能引起集电极IC和发射极电流IE大的变化，这就是晶体管的电流放大作用。

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2．特性曲线

晶体管的输入特性曲线IBf(UBE)范围，如图1.2（a）所示。

晶体管的输出特性曲线ICf(UCE)UCE常熟与二极管的正向特性曲线相似，也有同样的死区电压和管压降是一簇曲线，如图1.2（b）所示。根据晶体管工作状态的不同，

IB常熟输出特性曲线分为放大区、截止区和饱和区3个工作区。晶体管在不同工作状态下的特点如表1.1所示。

IB (μA)40302010UCE≥1VIC (mA)43210放 大饱和区100μA80μA60μA40μA

00.4 0.8UBE (V)20μAIB=0UCE (V)3 6 9 截止区 区

（a）输入特性曲线 （b）输出特性曲线

图1.2 晶体管的特性曲线

3．主要参数

（1）电流放大系数和β。 直流（静态）电流放大系数：交流（动态）电流放大系数：ICIB

ICIB小功率晶体管50~200，大功率管的β值一般较小。选用晶体管时应注意，β太小的管子放大能力差，而β太大则管子的热稳定性较差，一般以100左右为宜。

（2）反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO。二者的关系为ICEO(1)ICBO，它们随温度升高而增大，影响电路工作的稳定性。

（3）集电极最大允许电流ICM。集电极电流超过ICM时β值将明显下降。 （4）反向击穿电压U（BR）CEO。基极开路时集电极与发射极之间的最大允许电压。

（6）集电极最大允许耗散功率PCM。PCMICUCE。ICM、U（BR）CEO和PCM称为晶体管的极限参数，由它们共同确定晶体管的安全工作区。

表1.1 晶体管在不同工作状态下的特点

工作状态 偏置情况 截 止 发射结反偏 集电结反偏 放 大 发射结正偏 集电结反偏 饱 和 发射结正偏 集电结正偏 3

特点 (NPN硅管) UBE≤0 IB0 IC0UBE0.7UBE0.7ICIBV V ICICS UCEUCCUCC>UCE>UBE IB≥IBSUCE0.3ICS V（1）晶体管的工作状态可根据发射结和集电结的偏置情况判断。对NPN型晶体管，若UBE≤0，则发射结反偏，晶体管工作在截止状态。若UBE0，则发射结正偏，这时可再根据集电结的偏置情况判断晶体管是工作在放大状态还是饱和状态，集电结反偏为放大状态，集电结正偏为饱和状态；也可根据IB与IBS的关系判断，IBIBSICS为放大状态，IB≥IBSICS为饱和状态。

（2）晶体管的类型（NPN型还是PNP型，硅管还是锗管）和管脚可根据各极电位来判断。NPN型集电极电位最高，发射极电位最低，即UCUBUE，UBE0；PNP型集电极电位最低，发射极电位最高，即UCUBUE，UBE0。硅管基极电位与发射极电位大约相差0.6或0.7V；锗管基极电位与发射极电位大约相差0.2或0.3V。

此外，还可根据各极电流来判断晶体管的管脚以及是NPN型还是PNP型。根据晶体管各极电流关系IEIBIC和ICIB可知，发射极电流最大，基极电流最小，并且发射极电流从晶体管流出的为NPN型，流入晶体管的为PNP型。

例如，在如图1.3所示的电路中，已知RC1kΩ，RB10kΩ，UCC5V，晶体管的50，UBE0.7Ｖ，UCES0.3Ｖ。试分别计算Ui1V，Ui1V以及Ui3V时的IB、IC和Uo，并指出晶体管所处的工作状态。

+UCCRCRBIBICUoUi

图1.3 晶体管工作状态计算示例

当Ui1V时UBE0，晶体管发射结反偏，工作在截止状态，故有：

IB0

IC0

UoUCEUCC5（V）

当Ui1V时UBE0，晶体管发射结正偏，因而导通，故有：

IBUiURBBE10.7100.03（mA）

ICIB500.031.5（mA）

UoUCEUCCICRC51.513.5（V）

UBCUBEUCE0.73.52.80

计算结果表明，晶体管的发射结正偏，集电结反偏，处于放大状态。 或由：

IBSICS1UURC15050.31CCCES0.094（mA）

得IBIBS，所以晶体管处于放大状态。

当Ui3V时UBE0，晶体管发射结正偏，因而导通，故有：

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IBUiURBBE30.7100.23（mA）

ICIB500.2311.5（mA）

UoUCEUCCICRC511.516.5（V）

UBCUBEUCE0.76.57.20

计算结果表明，晶体管的发射结正偏，集电结也正偏，处于饱和状态。因为UCE绝不可能为负值，所以从计算结果UoUCE0也说明晶体管已不处于放大状态，故应处于饱和状态。当然，也可由IBIBS知晶体管处于放大状态。此时UoUCE应为：

UoUCEUCES0.3UURC50.31（V）

在饱和状态下，集电极电流IC和基极电流IB之间已不存在ICIB的关系，这时的集电极电流IC为：

ICCCCE4.7（mA）

12 习题

1-1 在图1-37所示的两个电路中，已知ui30sintV，二极管的正向压降可忽略不计，试画出输出电压uo的波形。

图1-37 题1-1图

解：根据题意知：当二极管加正偏电压时，可近似视为短路；加反偏电压时，可近似开路。即用二极管的理想模型分析问题，所以有： (a) 输出电压uo的表达式：

uo= ui=30sinωt (V) ui≥0

uo=0 ui< 0 电压传输曲线见图（a），uo、 ui的波形见图（b）。 (b) 输出电压uo的表达式：

uo=0 ui≥0

uo= ui=30sinωt (V) ui< 0

电压传输曲线见图（c），uo、 ui的波形见图（d）。

(a) (c)

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(b) (d)

1-2 在图1-38所示电路中，E10V,e30sintV，试用波形图表示二极管上电压uD 。

图1-38 题1-2图

解 假设拿掉二极管 则二极管所在处的开路电压为VD30sint10V

接入二极管后当开路电压大于零时二极管导通，二极管相当与短路线，二极管两端电压为0，开路电压小于零时，二极管相当与开路，二极管两端电压为开路电压

2k¸¦5VUD

1-3 计算图1-39所示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=0.7V。

a3k¸¦5VID 图1.39 题1-3图

解：先拿掉二极管假设电路开路如下图所示

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U525101V

所以加上二极管后二极管处于导通状态，原电路等效为：

ID4.321035.731030.25mA

1-4 用试分析图1-40电路，电位器可以调节的输出端对地的电压范围, 设二极管导通时的正向压降UD=0.7V。

Uo330W12Va1kWb1kW-12V

图1-40 题1-4图

解：据分析可知图中a、b两二极管都处于导通的状态，所以电位器的调压范围为-0.7V~0.7V。

1-5 在图1-41所示电路中，试求下列几种情况下输出端电位UY及各元件中通过的电流(设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大。

(1) UA=0V，UB=0V； (2) UA=0V，UB=10V；

(3) UA=10V，UB=0V (4) UA=10V，UB=10V。

图1-41 题1-5图

解：（1）UA=0V，UB=0V两个二极管都拿掉电路处在开路状态，两处的开路电压都为0V，由此两个二极管接入后都处于截至状态，所以UY=0V。各元件中的电流也为零。

(2) UA=0V，UB=10V，两个二极管都拿掉电路处在开路状态，VDA处的开路电压UA=0V，VDB处的开路电压UB=10V，所以VDB首先具备导通条件，VDB导通，VDA截止。

IRI

VDB10101031mA

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UY199V

(3) UA=10V，UB=0V，两个二极管都拿掉电路处在开路状态，VDA处的开路电压UA=10V，VDB处的开路电压UB=0V，VDA导通，VDB截止。

IRIVDA10101031mA

UY199V

(4) UA=10V，UB=10V，两个二极管都拿掉电路处在开路状态，VDA处的开路电压UA=10V，VDB处的开路

电压UB=10V，VDA导通，VDB导通。等效电路如下图：

则UY100.5999.47V

1-6 如图1-42所示电路中，VS1和VS2为稳压二极管，其稳定工作电压分别为7V和6V，且具有理想的特性。试求输出电压Uo；若将VS1反接，输出电压Uo又等于多少？

图1-42 题1-6图

解：如图所示两个稳压管都处于反接状态起稳压作用所以U0761V ；当VS1所接的方向改变时，VS1正向导通，相当于短路线，输出电压U00V。

1-7 设硅稳压管VS1和VS2的稳定电压分别为5V和10V，求图1-43中各电路的输出电压Uo，已知稳压管的正向压降为0.7V。

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图1-43 题1-7图

解：a）两个管子都处在稳压状态U051015V b) 两个管子都正向导通U00.70.71.4V c）U05V d）U00.7V

1-8 设某晶体管3个极的电位分别 为VE = 13V，VB = 12.3V ，VC = -6.5V， 试判断此晶体管的类型。 解：本题依照以下思路分析： 1) 基极一定居于中间电位。

2) 按照UBE = 0.2～0.3V或UBE=0.6～0.7V 可找出发射极E，并可确定出锗管或硅管。 3) 余下第三脚必为集电极。

4) 若UCE＞0为NPN型管，UCE ＜0为PNP型管。 说以这是NPN型的硅管。

1-9 有A、B、C 3只晶体管，测得各管的有关参数与电流如题表1-2所示，试填写表中空白的栏目。

电流参数 iE/mA管号 A B 1 0.4 iC/mA表1-2 题1-9表 ICBO/μA iB/μA 18 3 29 2 1 0.922 ICEO/μA   .5 132.3 19.6 0.982 0.397 0.571 111 132.3 19 0.982 0.99 0.952 C 0.6 解：IE = IC + IB 共发射极直流电流放大系数

βIBICICBOICIBUCE常数 (1-6)

共基极直流电流放大系数

αICICBOIEICIEUCB常数

集电极-基极间反向饱和电流ICBO 集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO

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ICEO和ICBO有如下关系， ICEO=（1+）ICBO

1-10 根据图1-44中已标出各晶体管电极的电位，判断处于饱和状态的晶体管是（ ）。

图1-44 题1-10图

解：处于饱和区时发射结正偏，集电结正偏。所以处在饱和状态的晶体管是a。 1-11 放大电路如图1-45所示,设晶体管β=50，RC＝1.5kW，UBE ＝0.6V，为使电路在可变电阻RP＝0 时，晶体管刚好进入饱和状态，电阻R应取多少？

图1-45 题1-11图

解：此时IC9UCESRC90.31.51035.8mA

IBIC5.8500.116mA

R90.60.11672.4kW

分析：此题目考的是晶体管工作状态的判别，注意此题所说的晶体管处在临界饱和的状态，即

ICSVcUCESRCIB

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