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1、1 1 半導(dǎo)體及其特點(diǎn)半導(dǎo)體及其特點(diǎn) 在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力,可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的特性:熱敏性、光敏性 、雜敏性。 典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge,它們都是4價(jià)元素。sisi硅原子Ge鍺原子Ge+4+4硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。一一 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)第1頁/共62頁 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在絕對(duì)溫度在絕對(duì)溫度T=0K時(shí),時(shí),所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中,不緊緊束縛在共價(jià)鍵中,不會(huì)成為會(huì)成為自由電子自由電子,因此本因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很

2、弱征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,接近絕緣體。,接近絕緣體。2 本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。第2頁/共62頁 這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā),也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí),束縛電子能量增高,有的電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導(dǎo)電,成為自由電子自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴 自由電子產(chǎn)生的同時(shí),在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位,稱為空穴空穴。第3頁/共62頁 可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。穴對(duì)。 外加能量越高(外加能量越高(溫度越高)溫度越高),產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。,產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)

3、象與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復(fù)合復(fù)合在一定溫度下,本征激發(fā)和復(fù)在一定溫度下,本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。合同時(shí)進(jìn)行,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí):電子空穴對(duì)的濃度電子空穴對(duì)的濃度硅:310cm104 . 1鍺:313cm105 . 2自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)第4頁/共62頁自由電子自由電子 帶負(fù)電荷帶負(fù)電荷 電子流電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E總電流總電流載流子載流子空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量:溫度變化,導(dǎo)電性變化;光照變化,導(dǎo)電性變化

4、。導(dǎo)電機(jī)制第5頁/共62頁3 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余電子多余電子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多數(shù)載流子自由電子少數(shù)載流子 空穴+N型半導(dǎo)體施主離子施主離子自由電子自由電子電子空穴對(duì)電子空穴對(duì) 在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素,例如磷,砷等 第6頁/共62頁 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素,如硼、鎵等??湛昭ㄑㄅ鹪优鹪庸柙庸柙?4+4+4+4+4+4+3+4+4多數(shù)載流子 空穴少數(shù)載流子自由電子P型半導(dǎo)體受主離子受主離子空穴空穴電子空穴對(duì)電子空穴對(duì)4 4 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體第7頁/共62頁雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖+N型半導(dǎo)體多子多子電子電子少子少

5、子空穴空穴P型半導(dǎo)體多子多子空穴空穴少子少子電子電子少子濃度與溫度有關(guān)多子濃度與溫度無關(guān)第8頁/共62頁內(nèi)電場(chǎng)E因多子濃度差形成內(nèi)電場(chǎng)多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū) 阻止多子擴(kuò)散,促使少子漂移。PNPN結(jié)合+P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層耗盡層 1 . PN結(jié)的形成 二二 PN PN結(jié)與半導(dǎo)體二極管結(jié)與半導(dǎo)體二極管第9頁/共62頁少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子,耗盡層窄,E多子擴(kuò)散 又失去多子,耗盡層寬,EP型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+內(nèi)電場(chǎng)E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層耗盡層動(dòng)態(tài)平衡:擴(kuò)散電流 漂移電流總電流0勢(shì)壘 UO硅 0.5V鍺 0.1V第10頁/共62頁2

6、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1) 加正向電壓(正偏)加正向電壓(正偏)電源正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū) 外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)耗盡層變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散形成正向電流I I F F+P型半導(dǎo)體+N型半導(dǎo)體+WER空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)E正向電流正向電流 第11頁/共62頁(2) 加反向電壓加反向電壓電源正極接N區(qū),負(fù)極接P區(qū) 外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。 外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)耗盡層變寬漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移形成反向電流I I R R+內(nèi)電場(chǎng)+E+EW+空 間 電 荷 區(qū)+R+IRPN 在一定的溫度下,由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的,故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)

7、,所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。 第12頁/共62頁 PN結(jié)加正向電壓時(shí),具有較大的正向擴(kuò)散電流,呈現(xiàn)低電阻, PN結(jié)導(dǎo)通; PN結(jié)加反向電壓時(shí),具有很小的反向漂移電流,呈現(xiàn)高電阻, PN結(jié)截止。 由此可以得出結(jié)論:PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?3頁/共62頁 PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式的伏安特性曲線及表達(dá)式 根據(jù)理論推導(dǎo),PNPN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F(多子擴(kuò)散)IR(少子漂移)反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿燒壞PN結(jié)電擊穿可逆第14頁/共62頁3 PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí),耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變,即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化,就

8、像電容充放電一樣。 (1) 結(jié)電容結(jié)電容空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)W+R+E+PN第15頁/共62頁(2) 擴(kuò)散電容 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí),PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同,這就相當(dāng)電容的充放電過程。+NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)中中空空穴穴區(qū)區(qū)中中電電子子區(qū)區(qū)濃濃度度分分布布nL電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來極間電容(結(jié)電容)第16頁/共62頁4 4 半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu) 二極管 = PN結(jié) + 管殼 + 引線NP結(jié)構(gòu)符號(hào)陽極+陰極-第17頁/共62頁 二極管按結(jié)構(gòu)分三大類:(1) 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小,結(jié)電容小,用于檢波和

9、變頻等高頻電路。N型 鍺正 極 引 線負(fù) 極 引 線外 殼金 屬 觸 絲 二極管按結(jié)構(gòu)材料分兩種:硅二極管 鍺二極管第18頁/共62頁(3) 平面型二極管 用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小,用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大,用于工頻大電流整流電路。SiO2正 極 引 線負(fù) 極 引 線N型 硅P型 硅負(fù) 極 引 線正 極 引 線N型 硅P型 硅鋁 合 金 小 球底 座第19頁/共62頁半導(dǎo)體二極管的型號(hào)半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下:2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型,P為普通管,Z為整流管,K為開關(guān)管。代表器

10、件的材料,A為N型Ge,B為P型Ge, C為N型Si, D為P型Si。2代表二極管,3代表三極管。第20頁/共62頁第21頁/共62頁第22頁/共62頁第23頁/共62頁第24頁/共62頁第25頁/共62頁5 二極管的二極管的VA特性特性 硅:0.5 V 鍺: 0.1 V(1) 正向特性正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流反向飽和電流(2) 反向特性反向特性死區(qū)電壓iu0擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線uEiVmAuEiVuA鍺 硅:0.7 V 鍺:0.3V第26頁/共62頁6 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) (1) 最大整流電流IF二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí),允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2) 反向擊穿

11、電壓UBR 二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。 (3) 最大反向電流I IR-R- 在室溫下,在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí);鍺二極管在微安( A)級(jí)。 (4) 最高工作頻率- 當(dāng)二極管的工作頻率超過這個(gè)數(shù)值就失去單向?qū)щ娦浴5?7頁/共62頁7 二極管的等效電路及應(yīng)二極管的等效電路及應(yīng)用用iuDU+-uiDUDU考慮正向壓降的等效電路考慮正向壓降的等效電路DUu DUu U D 二極管的導(dǎo)通壓降。硅管 0.7V;鍺管 0.3V。理想二極管等效電路理想二極管等效電路ui正偏反偏-+iu導(dǎo)通壓降二極管的VA特性-+iuiu0第

12、28頁/共62頁二極管的近似分析計(jì)算二極管的近似分析計(jì)算IR10VE1kIR10VE1k例:考慮正向壓降的等效電路mA3 . 9K1V)7 . 010(I測(cè)量值 9.32mA相對(duì)誤差00002 . 010032. 99.332. 9理想二極管等效電路RI10VE1kmA10K1V10I相對(duì)誤差0000710032. 932. 9100.7V第29頁/共62頁例:例:二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示,R1k,UREF=2V,輸入信號(hào)為ui。 (1)若 ui為4V的直流信號(hào),分別采用理想二極管等效電路、考慮正向壓降的等效電路計(jì)算電流I和輸出電壓uo+-+UIuREFRiuO解解:采用理想二極管等效電路

13、分析 考慮正向壓降的等效電路分析mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu第30頁/共62頁(2)如果ui為幅度4V的交流三角波,波形如圖(b)所示,分別采用理想二極管等效電路、考慮正向壓降的等效電路分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。+-+UIuREFRiuO解:采用理想二極管等效電路分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第31頁/共62頁02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用考慮正向壓降的等效電路分析,波形如圖所示。+-+UIuREFRiuO第32頁/共62頁穩(wěn)壓二極管變?nèi)荻O

14、管發(fā)光二極管光電二極管肖特基二極管光電池8 特種特種 二極管二極管第33頁/共62頁第34頁/共62頁第35頁/共62頁光電池做成的便攜式冰箱第36頁/共62頁 半導(dǎo)體三極管,也叫晶體三極管。由半導(dǎo)體三極管,也叫晶體三極管。由于工作時(shí),多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參于工作時(shí),多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行,因此,還被稱為雙極型晶體管與運(yùn)行,因此,還被稱為雙極型晶體管(Bipolar Junction Transistor,Bipolar Junction Transistor,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱BJTBJT)。 BJT BJT是由兩個(gè)是由兩個(gè)PNPN結(jié)組成的。結(jié)組成的。三三 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管第37

15、頁/共62頁1 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管的基本結(jié)的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)NPN型PNP型符號(hào)符號(hào):-bce-ebc 三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :(1 1)基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。)基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。(2 2)發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。)發(fā)射區(qū)的摻雜濃度集電區(qū)摻雜濃度。(3 3)集電區(qū)面積大,以利于收集載流子)集電區(qū)面積大,以利于收集載流子-NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極-PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié) 集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極第38頁/共62頁2 三極管的電流放大原理(NPN管)管) 三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷骸H粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài):發(fā)射

16、結(jié)正偏:+UCE UBEUCB集電結(jié)反偏:由VBB保證由VCC、 VBB保證UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共發(fā)射極接法c區(qū)b區(qū)e區(qū)第39頁/共62頁 (1 1)因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏,所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 ,形成了擴(kuò)散電流IEN 。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),形成的電流為IEP。但其數(shù)量小,可忽略。 所以發(fā)射極電流I E I EN 。 (2)發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后,變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉,形成IBN。所以基極電流I B I BN 。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程內(nèi)部的載流子傳輸過程N(yùn)NPBBVCCVRbRCebcIE

17、NEPIIEBI第40頁/共62頁(3)因?yàn)榧娊Y(jié)反偏,收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子,形成電流ICN 。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外,集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。第41頁/共62頁3 3 三極管的特性曲線(1) (1) 輸入特性曲線輸入特性曲線 iB=f(uBE) uCE=const+i-uBE+-uBTCE+Ci(1)uCE=0V時(shí),相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)。0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu(3)uCE 1V再增加時(shí),曲線右移很不明顯。(2)當(dāng)uCE=1V時(shí), 集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài),開始收集電子

18、,所以基區(qū)復(fù)合減少, 在同一uBE 電壓下,iB 減小。特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些。死區(qū)電壓硅 0.5V鍺 0.1V導(dǎo)通壓降硅 0.7V鍺 0.3V第42頁/共62頁 (2)輸出特性曲線輸出特性曲線 iC=f(uCE) iB=const 現(xiàn)以iB=60uA一條加以說明。 (1)當(dāng)uCE=0 V時(shí),因集電極無收集作用,iC=0。(2) uCE Ic 。 (3) 當(dāng)uCE 1V后,收集電子的能力足夠強(qiáng)。這時(shí),發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集,形成iC。所以u(píng)CE再增加,iC基本保持不變。同理,可作出iB=其他值的曲線。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=8

19、0uAI=100uAIB第43頁/共62頁 輸出特性曲線可以分為三個(gè)區(qū)域:飽和區(qū)飽和區(qū)iC受uCE顯著控制的區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)uCE0.7 V。 此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)也正偏。截止區(qū)截止區(qū)iC接近零的區(qū)域,相當(dāng)iB=0的曲線的下方。 此時(shí),發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏。放大區(qū)放大區(qū) 曲線基本平行等 距。 此時(shí),發(fā) 射結(jié)正偏,集電 結(jié)反偏。 該區(qū)中有:BCII iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA飽和區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)截止區(qū)第44頁/共62頁4 4 三極管的主要參數(shù)(1)電流放大系數(shù)BCII BCii(V)CE=20uA(mA)B

20、=40uAIu=0=80uAIBBBIIBI =100uACBI=60uAi一般取20200之間共發(fā)射極電流放大系數(shù):靜態(tài)動(dòng)態(tài)第45頁/共62頁 (2)極間反向電流 (b)集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO 基極開路時(shí),集電極到發(fā)射極間的電流穿透電流 。其大小與溫度有關(guān)。 (a)集電極基極間反向飽和電流ICBO 發(fā)射極開路時(shí),在其集電結(jié)上加反向電壓,得到反向電流。它實(shí)際上就是一個(gè)PNPN結(jié)的反向電流。其大小與溫度有關(guān)。 鍺管:I CBO為微安數(shù)量級(jí), 硅管:I CBO為納安數(shù)量級(jí)。CBOCEO)1 (II+ICBOecbICEO第46頁/共62頁(3)極限參數(shù) Ic增加時(shí), 要下降。當(dāng) 值下降到

21、線性放大區(qū) 值的70時(shí),所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。(a)集電極最大允許電流ICM(b)集電極最大允許功率損耗PCM 集電極電流通過集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗, PC= ICUCE BICEui(V)IBC=100uAB=80uA=60uA(mA)IIB=0B=40uA=20uABIIPCM0V時(shí),管子導(dǎo)通第54頁/共62頁 2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn): 當(dāng)uGS=0時(shí),就有溝道,加入uDS,就有iD。 當(dāng)uGS0時(shí),溝道增寬,iD進(jìn)一步增加。 當(dāng)uGS0時(shí),溝道變窄,iD減小。 在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí),這些正離子已經(jīng)感

22、應(yīng)出反型層,形成了溝道。 -g漏極s+N襯底P襯底源極d柵極bN+ +-sbgd第55頁/共62頁 3 P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET P P溝道溝道MOSFETMOSFET的工作原理與的工作原理與N N溝道溝道MOSFETMOSFET完全相同,只不過導(dǎo)電的載流子完全相同,只不過導(dǎo)電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPNNPN型和型和PNPPNP型一樣。型一樣。第56頁/共62頁四種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的電路符號(hào)第57頁/共62頁本章小結(jié)本章小結(jié)1半導(dǎo)體材料中有兩種載流子:電子和空穴。電子帶負(fù)電,空穴帶正電半導(dǎo)體材料中有兩種

23、載流子:電子和空穴。電子帶負(fù)電,空穴帶正電。在純凈半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì),可以得到。在純凈半導(dǎo)體中摻入不同的雜質(zhì),可以得到N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。2采用一定的工藝措施,使采用一定的工藝措施,使P型和型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起,就形成了型半導(dǎo)體結(jié)合在一起,就形成了PN結(jié)。結(jié)。PN結(jié)的基本特點(diǎn)是單向?qū)щ娦?。結(jié)的基本特點(diǎn)是單向?qū)щ娦浴?二極管是由一個(gè)二極管是由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的。其特性可以用伏安特性和一系列參數(shù)來結(jié)構(gòu)成的。其特性可以用伏安特性和一系列參數(shù)來描述。在研究二極管電路時(shí),可根據(jù)不同情況,使用不同的二極管模型。描述。在研究二極管電路時(shí),可根據(jù)不同情況,使用不同的二極管模型。4BJT是由兩個(gè)是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的。工作時(shí),有兩種載流子參與導(dǎo)電,稱為雙結(jié)構(gòu)成的。工作時(shí),有兩種載流子參與導(dǎo)電,稱為雙極性晶體管。極性晶體管。BJT是一種電流控制電流型的器件,改變基極電流就可以控是一種電流控制電流型的器件,改變基極電流就可以控制集

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