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模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第五康華光演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有61頁\編輯于星期二(優(yōu)選)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第五康華光現(xiàn)在是2頁\一共有61頁\編輯于星期二3.1.1半導(dǎo)體材料
根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同,來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體:容易導(dǎo)電的物體。如:鐵、銅等2.絕緣體:幾乎不導(dǎo)電的物體。如:橡膠等現(xiàn)在是3頁\一共有61頁\編輯于星期二
半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體特點(diǎn):
1)在外界能源的作用下,導(dǎo)電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。
2)在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì),導(dǎo)電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類?,F(xiàn)在是4頁\一共有61頁\編輯于星期二1.本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%,常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。硅和鍺都是4價元素,它們的外層電子都是4個。其簡化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖:硅和鍺都是四價元素,外層原子軌道上具有四個電子,稱為價電子。價電子受原子核的束縛力最小。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的。3.1.3本征半導(dǎo)體現(xiàn)在是5頁\一共有61頁\編輯于星期二
本征晶體中各原子之間靠得很近,使原分屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引,分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有,并為它們所束縛,在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示:1、本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是6頁\一共有61頁\編輯于星期二2、共價鍵性質(zhì)
共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的,這兩個電子被成為束縛電子。束縛電子同時受兩個原子的約束,如果沒有足夠的能量,不易脫離軌道。因此,在絕對溫度T=0K(-273C)時,由于共價鍵中的電子被束縛著,本征半導(dǎo)體中沒有自由電子,不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下,本征半導(dǎo)體才能導(dǎo)電?,F(xiàn)在是7頁\一共有61頁\編輯于星期二由于隨機(jī)熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴-電子對3、電子與空穴
當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時,導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時,價電子能量增高,有的價電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導(dǎo)電,成為自由電子。
這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā),也稱熱激發(fā)?,F(xiàn)在是8頁\一共有61頁\編輯于星期二
自由電子產(chǎn)生的同時,在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位,原子的電中性被破壞,呈現(xiàn)出正電性,其正電量與電子的負(fù)電量相等,人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。
可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的,稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去,稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。現(xiàn)在是9頁\一共有61頁\編輯于星期二空穴的移動
由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴,在外加能源的激發(fā)下,鄰近的價電子有可能掙脫束縛補(bǔ)到這個空位上,而這個電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴,其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。
電流的方向與電子移動的方向相反,與空穴移動的方向相同。本征半導(dǎo)體中,產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴?,F(xiàn)在是10頁\一共有61頁\編輯于星期二+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴現(xiàn)在是11頁\一共有61頁\編輯于星期二3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì),可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素(如磷)的半導(dǎo)體。
P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素(如硼)的半導(dǎo)體?,F(xiàn)在是12頁\一共有61頁\編輯于星期二1.N型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體
因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵,而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。
在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。
提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)?,F(xiàn)在是13頁\一共有61頁\編輯于星期二N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示:磷原子核自由電子所以,N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子有兩種:
自由電子—多數(shù)載流子(由兩部分組成) 空穴——少數(shù)載流子現(xiàn)在是14頁\一共有61頁\編輯于星期二2.P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體
因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時,缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。
在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,它主要由摻雜形成;自由電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。
空穴很容易俘獲電子,使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。現(xiàn)在是15頁\一共有61頁\編輯于星期二P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示:硼原子核空穴P型半導(dǎo)體中:
空穴是多數(shù)載流子,主要由摻雜形成;
電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。現(xiàn)在是16頁\一共有61頁\編輯于星期二3.雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體
摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響,一些典型的數(shù)據(jù)如下:T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:
n=p=1.4×1010/cm31
本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3
3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3
。
2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:
n=5×1016/cm3現(xiàn)在是17頁\一共有61頁\編輯于星期二
本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體
本節(jié)中的有關(guān)概念
自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體
多數(shù)載流子、少數(shù)載流子
施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)end現(xiàn)在是18頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2PN結(jié)的形成及特性
PN結(jié)的形成
PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
PN結(jié)的反向擊穿
PN結(jié)的電容效應(yīng)
載流子的漂移與擴(kuò)散現(xiàn)在是19頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動:在電場作用引起的載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動:由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。現(xiàn)在是20頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.2PN結(jié)的形成因濃度差多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散擴(kuò)散到對方的載流子在P區(qū)和N區(qū)的交界處附近被相互中和掉,使P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動的負(fù)離子,N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動的正離子。這樣在兩種半導(dǎo)體交界處逐漸形成由正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)(耗盡層)。由于P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電,N區(qū)一側(cè)帶正電,所以出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場現(xiàn)在是21頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.2PN結(jié)的形成
當(dāng)擴(kuò)散和漂移運(yùn)動達(dá)到平衡后,空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)電場電位就相對穩(wěn)定下來。此時,有多少個多子擴(kuò)散到對方,就有多少個少子從對方飄移過來,二者產(chǎn)生的電流大小相等,方向相反。因此,在相對平衡時,流過PN結(jié)的電流為0?,F(xiàn)在是22頁\一共有61頁\編輯于星期二
在一塊本征半導(dǎo)體兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:
因濃度差
空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場
內(nèi)電場促使少子漂移
內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散
最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)現(xiàn)在是23頁\一共有61頁\編輯于星期二
對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面,離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū),由于缺少多子,所以也稱耗盡層。由于耗盡層的存在,PN結(jié)的電阻很大。
PN結(jié)的形成過程中的兩種運(yùn)動:
多數(shù)載流子擴(kuò)散少數(shù)載流子飄移現(xiàn)在是24頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為加正向電壓,簡稱正偏;反之稱為加反向電壓,簡稱反偏。
(1)PN結(jié)加正向電壓時
外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū),方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反,削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱,擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流,可忽略漂移電流的影響,PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性?,F(xiàn)在是25頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為加正向電壓,簡稱正偏;反之稱為加反向電壓,簡稱反偏。
(1)PN結(jié)加正向電壓時
低電阻大的正向擴(kuò)散電流PN結(jié)的伏安特性現(xiàn)在是26頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為加正向電壓,簡稱正偏;反之稱為加反向電壓,簡稱反偏。
(2)PN結(jié)加反向電壓時
外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同,加強(qiáng)了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙增強(qiáng),擴(kuò)散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流,可忽略擴(kuò)散電流,PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。現(xiàn)在是27頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位,稱為加正向電壓,簡稱正偏;反之稱為加反向電壓,簡稱反偏。
(2)PN結(jié)加反向電壓時
高電阻很小的反向漂移電流
在一定的溫度條件下,由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的,故少子形成的漂移電流是恒定的,基本上與所加反向電壓的大小無關(guān),這個電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)的伏安特性現(xiàn)在是28頁\一共有61頁\編輯于星期二
PN結(jié)加正向電壓時,呈現(xiàn)低電阻,具有較大的正向擴(kuò)散電流;
PN結(jié)加反向電壓時,呈現(xiàn)高電阻,具有很小的反向漂移電流。
由此可以得出結(jié)論:PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴,F(xiàn)在是29頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>
(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT
——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下(T=300K)現(xiàn)在是30頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.4PN結(jié)的反向擊穿
當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時,反向電流突然快速增加,此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆
雪崩擊穿
齊納擊穿
電擊穿——可逆
PN結(jié)被擊穿后,PN結(jié)上的壓降高,電流大,功率大。當(dāng)PN結(jié)上的功耗使PN結(jié)發(fā)熱,并超過它的耗散功率時,PN結(jié)將發(fā)生熱擊穿。這時PN結(jié)的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán),最終將導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。現(xiàn)在是31頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖是由多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中積累而引起的。正向電壓時,載流子積累電荷量發(fā)生變化,相當(dāng)于電容器充電和放電的過程——
擴(kuò)散電容效應(yīng)。當(dāng)加反向電壓時,擴(kuò)散運(yùn)動被削弱,擴(kuò)散電容的作用可忽略。現(xiàn)在是32頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)
(2)勢壘電容CBend是由PN結(jié)的空間電荷區(qū)變化形成的??臻g電荷區(qū)的正負(fù)離子數(shù)目發(fā)生變化,如同電容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示:
由于PN結(jié)寬度l隨外加電壓U而變化,因此勢壘電容Cb不是一個常數(shù)。:半導(dǎo)體材料的介電比系數(shù);S:結(jié)面積;l:耗盡層寬度。現(xiàn)在是33頁\一共有61頁\編輯于星期二3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)
PN結(jié)總的結(jié)電容Cj
包括勢壘電容Cb
和擴(kuò)散電容Cd
兩部分。一般來說,當(dāng)二極管正向偏置時,擴(kuò)散電容起主要作用,即可以認(rèn)為Cj
Cd;當(dāng)反向偏置時,勢壘電容起主要作用,可以認(rèn)為Cj
Cb。
Cb
和Cd
值都很小,通常為幾個皮法-幾十皮法,有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。綜上所述:現(xiàn)在是34頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3半導(dǎo)體二極管
半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)
二極管的伏安特性
二極管的主要參數(shù)現(xiàn)在是35頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)
在PN結(jié)上加上引線和封裝,就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型兩大類。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型
二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小,結(jié)電容小,用于檢波和變頻等高頻電路?,F(xiàn)在是36頁\一共有61頁\編輯于星期二(a)面接觸型(b)集成電路中的平面型(c)代表符號
(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。(b)面接觸型現(xiàn)在是37頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性現(xiàn)在是38頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性
硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右,
鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。
當(dāng)0<V<Vth時,正向電流為零,Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當(dāng)V>0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段:當(dāng)V>Vth時,開始出現(xiàn)正向電流,并按指數(shù)規(guī)律增長?,F(xiàn)在是39頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3.2二極管的伏安特性鍺二極管2AP15的V-I特性
當(dāng)V<0時,即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域:
當(dāng)VBR<V<0時,反向電流很小,且基本不隨反向電壓的變化而變化,此時的反向電流也稱反向飽和電流IS
。
當(dāng)V≥VBR時,反向電流急劇增加,VBR稱為反向擊穿電壓。現(xiàn)在是40頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM
二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。
為安全計,在實(shí)際工作時,最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。二極管長期連續(xù)工作時,允許通過二極管的最大整流電流的平均值?,F(xiàn)在是41頁\一共有61頁\編輯于星期二3.3.3二極管的主要參數(shù)(3)反向電流IR在室溫下,在規(guī)定的反向電壓下,一般是最大反向工作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;鍺二極管在微安(A)級。(4)正向壓降VF在規(guī)定的正向電流下,二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下,約0.6~0.8V;鍺二極管約0.2~0.3V。(5)極間電容CJ(CB、CD)現(xiàn)在是42頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4
二極管基本電路及其分析方法
3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法
二極管電路的簡化模型分析方法現(xiàn)在是43頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法
二極管是一種非線性器件,因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法,相對來說比較復(fù)雜,而圖解分析法則較簡單,但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線?,F(xiàn)在是44頁\一共有61頁\編輯于星期二例3.4.1電路如圖所示,已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R,求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解:由電路的KVL方程,可得即是一條斜率為-1/R的直線,稱為負(fù)載線
Q的坐標(biāo)值(VD,ID)即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)現(xiàn)在是45頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模
將指數(shù)模型分段線性化,得到二極管特性的等效模型。(1)理想模型(a)V-I特性(b)代表符號(c)正向偏置時的電路模型(d)反向偏置時的電路模型現(xiàn)在是46頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模(2)恒壓降模型(a)V-I特性(b)電路模型(3)折線模型(a)V-I特性(b)電路模型現(xiàn)在是47頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模(4)小信號模型vs=0時,Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn),反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時(Vm<<VDD),將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化,得到小信號模型,即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線?,F(xiàn)在是48頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模(4)小信號模型
過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下(T=300K)(a)V-I特性(b)電路模型現(xiàn)在是49頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模(4)小信號模型
特別注意:小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下,且vD>>VT
。(a)V-I特性(b)電路模型現(xiàn)在是50頁\一共有61頁\編輯于星期二3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2.模型分析法應(yīng)用舉例(1)整流電路(a)電路圖(b)vs和vo的波形現(xiàn)在是51頁\一共有61頁\編輯于星期二2.模型分析法應(yīng)用舉例(2)靜態(tài)工作情況分析理想模型(R=10k)
當(dāng)VDD=10V時,恒壓模型(硅二極管典型值)折線模型(硅二極管典型值)設(shè)當(dāng)VDD=1V時,(自看)(a)簡單二極管電路(b)習(xí)慣畫法現(xiàn)在是52頁\一共有61頁\編輯于星期二2.模型分析法應(yīng)用舉例(3)限幅電路
電路如圖,R=1kΩ,VREF=3V,二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解,當(dāng)vI=6sintV時,繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。現(xiàn)在是53頁\一共有61頁\編輯于星期二2.模型分析法應(yīng)用舉例(4)開關(guān)電路電路如圖所示,求A
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