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文檔簡介

模擬電路二極管及其電路第1頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路§3.1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§3.2PN結(jié)的形成及特性§3.3半導(dǎo)體二極管§3.4二極管基本電路及其分析方法§3.5特殊二極管第2頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五§3.1半導(dǎo)體的基本知識3.1.1本征半導(dǎo)體導(dǎo)體:自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體,金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體:有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電,稱為絕緣體,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體:另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間,稱為半導(dǎo)體,如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。1)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體第3頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì),所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如:

當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí),它的導(dǎo)電能力明顯變化。

往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì),會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。第4頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五2)本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程,可以將半導(dǎo)體制成晶體?,F(xiàn)代電子學(xué)中,用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺,它們的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)。第5頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五本征半導(dǎo)體:在硅和鍺晶體中,原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣,每個(gè)原子都處在正四面體的中心,而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn),每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵,共用一對價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu):完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。第6頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子第7頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中,稱為束縛電子,常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子,因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少,所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后,每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè),構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力,使原子規(guī)則排列,形成晶體。+4+4+4+4第8頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對0度(T=0K)和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著,本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子(即載流子),它的導(dǎo)電能力為0,相當(dāng)于絕緣體。在常溫下,由于熱激發(fā),使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛,成為自由電子,同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位,稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴第9頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第10頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下,空穴吸引附近的電子來填補(bǔ),這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移,而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng),因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子,即自由電子和空穴?!娮涌昭▽Φ?1頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五溫度越高,載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng),溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素,這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成:

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。第12頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.1.2

雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì),就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體:空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體,也稱為(空穴半導(dǎo)體)。N型半導(dǎo)體:自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體,也稱為(電子半導(dǎo)體)。第13頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五一、N型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷(或銻)這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子,其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵,必定多出一個(gè)電子這個(gè)電子幾乎不受束縛,很容易被激發(fā)而成為自由電子每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子,稱為施主原子+4+4+5+4第14頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么?1、由施主原子提供的電子,濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度,所以,自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子(多子),空穴稱為少數(shù)載流子(少子)。第15頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五二、P型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素,如硼(或銦),晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代,硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子,與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí),產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來填補(bǔ),使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子,所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子,電子是少子。第16頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法------------------------P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系,起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。第17頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.2PN

結(jié)在同一片半導(dǎo)體基片上,分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,經(jīng)過載流子的移動(dòng),在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。3.2.1PN結(jié)的形成第18頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五濃度差P型半導(dǎo)體------------------------N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬,空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng),就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū),也稱耗盡層。復(fù)合有何種影響?第19頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體------------------------N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡,相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng),空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第20頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五------------------------++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0阻擋層勢壘耗盡層第21頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子(都是多子)向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散運(yùn)動(dòng))。3、P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴(都是少子),數(shù)量有限,因此由它們形成的電流很小。注意:第22頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加上正向電壓、正向偏置的意思都是:

P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。PN結(jié)加上反向電壓、反向偏置的意思都是:

P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。第23頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五----++++RE一、PN結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱,多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。PN結(jié)導(dǎo)通,電阻小第24頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五二、PN結(jié)反向偏置----++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng),多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng),但少子數(shù)量有限,只能形成較小的反向電流。REPN結(jié)截止,電阻大第25頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

三、PN結(jié)V-I特性的表達(dá)式

理論分析證明,流過PN結(jié)的電流iD與外加電壓vD之間的關(guān)系為

(3-2-3)

式中,

IS為反向飽和電流,其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān);VT=kT/q,稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在T=300K(室溫)時(shí),

VT=26mV。這是一個(gè)今后常用的參數(shù)。圖3–11PN結(jié)的伏安特性

第26頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五由式(3-2-3)可知,加正向電壓時(shí),VD只要大于VT幾倍以上,iD≈IseVD/VT,即iD隨VD呈指數(shù)規(guī)律變化;加反向電壓時(shí),|VD|只要大于VT幾倍以上,則iD≈–IS(負(fù)號表示與正向參考電流方向相反)。由式(3-2-3)可畫出PN結(jié)的伏安特性曲線,圖中還畫出了反向電壓大到一定值時(shí),反向電流突然增大的情況。圖3–11PN結(jié)的伏安特性

(3-2-3)第27頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.2.3PN結(jié)的擊穿特性

由圖3–11看出,當(dāng)反向電壓超過VBR后稍有增加時(shí),反向電流會急劇增大,這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿,并定義VBR為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。圖3–11PN結(jié)的伏安特性

第28頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

一、雪崩擊穿

在輕摻雜的PN結(jié)中,當(dāng)外加反向電壓時(shí),耗盡區(qū)較寬,少子漂移通過耗盡區(qū)時(shí)被加速,動(dòng)能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí),在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子,會與中性原子的價(jià)電子相碰撞,將其撞出共價(jià)鍵,產(chǎn)生電子、空穴對。新產(chǎn)生的電子、空穴被強(qiáng)電場加速后,又會撞出新的電子、空穴對。碰撞電離倍增效應(yīng)第29頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

二、齊納擊穿

在重?fù)诫s的PN結(jié)中,耗盡區(qū)很窄,所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí),強(qiáng)電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵,產(chǎn)生大量電子、空穴對,使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸?。反向擊穿過程為電擊穿,過程可逆。熱擊穿過程不可逆。第30頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五§3.3

半導(dǎo)體二極管3.3.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線,就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管的電路符號:第31頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五第32頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.3.2伏安特性VI死區(qū)電壓

硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓VBR第33頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流

IF二極管長期使用時(shí),允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓VBR二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增,二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?,甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VWRM一般是VBR的一半。第34頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.反向電流

IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大,說明管子的單向?qū)щ娦圆?,因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響,溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小,鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。以上均是二極管的直流參數(shù),二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?,主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。第35頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.3.4二極管的等效電路

1)微變電阻rDiDvDIDVDQiDvDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比:顯然,rD是對Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。第36頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

根據(jù)理論分析,二極管的電流與端電壓VD存在如下關(guān)系:

第37頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五2)

二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容,此電容由兩部分組成:勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢壘電容:勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域,當(dāng)電壓變化時(shí),就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化,這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴(kuò)散電容:為了形成正向電流(擴(kuò)散電流),注入P區(qū)的少子(電子)在P

區(qū)有濃度差,越靠近PN結(jié)濃度越大,即在P區(qū)有電子的積累。同理,在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大,積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。P+-N第38頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五CB在正向和反向偏置時(shí)均不能忽略。而反向偏置時(shí),由于載流子數(shù)目很少,擴(kuò)散電容可忽略。PN結(jié)高頻小信號時(shí)的等效電路:勢壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rd第39頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

3.4.2晶體二極管模型

對電子線路進(jìn)行定量分析時(shí),電路中的實(shí)際器件必須用相應(yīng)的電路模型來等效,根據(jù)分析手段及要求的不同,器件模型將有所不同。例如,借助計(jì)算機(jī)輔助分析,則允許模型復(fù)雜,以保證分析結(jié)果盡可能精確。而在工程分析中,則力求模型簡單、實(shí)用,以突出電路的功能及主要特性。下面我們將依據(jù)二極管的實(shí)際工作條件,引出工程上便于分析的二極管模型。

3.4二極管基本電路及其分析方法第40頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

二極管是一種非線性電阻(導(dǎo))元件,在大信號工作時(shí),其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?,而?dǎo)通后所呈現(xiàn)的非線性往往是次要的。第41頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五vDiDo二極管理想模型理想二極管vD>0vD<012應(yīng)用條件:電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大第42頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五二極管恒壓降模型vDiDoVD理想二極管vD>VDvD<VD12應(yīng)用條件:二極管的電流iD近似等于或大于1mA二極管管壓降第43頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五二極管折線近似及電路模型vD>VthvD<VthvDiDoVth12VthrD理想二極管二極管死區(qū)電壓第44頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

3.4.3

二極管基本應(yīng)用電路

利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕蓪?shí)現(xiàn)整流、限幅及電平選擇等功能。

一、二極管整流電路

把交流電變?yōu)橹绷麟?,稱為整流。一個(gè)簡單的二極管半波整流電路如圖3–17(a)所示。若二極管為理想二極管,當(dāng)輸入一正弦波時(shí),由圖可知:正半周時(shí),二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開關(guān)閉合),vo=vi;負(fù)半周時(shí),二極管截止(相當(dāng)開關(guān)打開),

vo=0。其輸入、輸出波形見圖3–17(b)。整流電路可用于信號檢測,也是直流電源的一個(gè)組成部分。

第45頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

圖3–17二極管半波整流電路及波形(a)電路;

(b)輸入、輸出波形關(guān)系

判斷原則:斷開二極管,判斷二極管兩端電壓tvo0tvi0(b)Dvi+-vo+-RL(a)vi<0,二極管截止vi>0,二極管導(dǎo)通第46頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五實(shí)際二極管整流特性1V1kHz10kHz100kHz1MHz100Hz10Hz500mV導(dǎo)通壓降第47頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五實(shí)際二極管整流特性400mV,1KHz300mV,1KHz第48頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五tttvivRvoRRLvivRvo第49頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五RVDDvD-+DiDVDDvD-+iD簡單二極管電路習(xí)慣畫法第50頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五vD=0=1mAvD=0.7VvD=0=0.1mAvD=0.7ViDVDDvD-+iDVDDvD-+RiDVDDvD-+RVDiDVDDvD-+RrDVth0.5V0.2k理想模型恒壓降模型折線模型VDD=10VVDD=1V第51頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

二、二極管限幅電路限幅電路也稱為削波電路,它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路,常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性如圖3–18所示

.第52頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

圖3–18二極管上限幅電路及波形(a)電路

(b)輸入、輸出波形關(guān)系(a)Dvi+-vo+-RE2V(b)tvi/V05-52.7V2.7Vtvo/V0-55VD2V第53頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五54實(shí)際二極管限幅特性1.5V1kHz500mV1kHz第54頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五三、二極管開關(guān)電路在開關(guān)電路中,利用二極管的單向?qū)щ娦詠斫油ɑ驍嚅_電路,這在數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電路的傳輸特性如圖3–20所示

圖3–20二極管開關(guān)電路及波形(a)電路;(b)輸入、輸出波形關(guān)系(a)ttt(b)vo/V03.7v1/V30v2/V300.7D1D2vI1vI2vo4.7kVCC第55頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五D1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D2vI1vI2vo4.7kVCCD1D205vo4.7kVCCD1D250vo4.7kVCCD1D255vo4.7kVCCD1D200vo4.7kVCCvo=ovo=VCCvo=ovo=o第56頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五

3.5特殊二極管

3.5.1穩(wěn)壓管3.5.2變?nèi)荻O管3.5.3光電二極管3.5.4發(fā)光二極管第57頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五第58頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五3.5.1穩(wěn)壓二極管

VIIZIZmaxVZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡,電壓越穩(wěn)定。+-VZ動(dòng)態(tài)電阻:rz越小,穩(wěn)壓性能越好。第59頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五(4)穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。(5)最大允許功耗穩(wěn)壓二極管的參數(shù):(1)穩(wěn)定電壓

VZ(2)電壓溫度系數(shù)V(%/℃)

穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。(3)動(dòng)態(tài)電阻第60頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負(fù)載電阻

。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí),負(fù)載電壓基本不變。解:令輸入電壓達(dá)到上限時(shí),流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求:電阻R和輸入電壓

ui的正常值?!匠?第61頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五令輸入電壓降到下限時(shí),流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2,可解得:第62頁,共77頁,2023年,2月20日,星期五一般來說,對硅材料的二極管,VBR>7V時(shí)為雪崩擊穿,溫度系數(shù)為正值;

V

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