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文档简介

1、电子工程物理基础第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制5.1 5.1 半导体与外界作用半导体与外界作用5.2 半导体与金属5.3 半导体与半导体5.4 半导体与绝缘体5.1 5.1 半导体与外界作用半导体与外界作用一一. .半导体与热半导体与热温度可以影响温度可以影响载流子浓度载流子浓度载流子分布载流子分布载流子浓度不均匀载流子浓度不均匀扩散运动扩散运动低温弱电离低温弱电离中温全电离中温全电离高温本征激发高温本征激发温度不均匀温度不均匀 费米能级费米能级 载流子浓度载流子浓度)2ln(21210CDDCFNNTkEEETkECDDeNNn021202)ln(0CDCFNNTkEE

2、DNn 0CVVCiFNNTkEEEEln21210TkEVCigeNNnpn021200中温中温高温高温低温低温1.1.环境温度的影响环境温度的影响由得知由得知(1)n T分析、讨论分析、讨论TkECDDeNNn021202DNn 0TkEVCigeNNn0212希望器件工作在此温区(2)EF T)2ln(21210CDDCFNNTkEEE)ln(0CDCFNNTkEEEF ED的相对位置反的相对位置反映了半导体中载流子映了半导体中载流子的电离程度的电离程度低温中温EF 掺杂(掺杂(T一定,则一定,则NC也一定)也一定)T一定,ND越大,EF越靠近ECT一定,NA越大,EF越靠近EV。2.2

3、.局部热的影响局部热的影响温度不均匀温度不均匀载流子浓度不均匀载流子浓度不均匀载流子扩散载流子扩散内建电场内建电场温差电动势温差电动势0032CFskEETqk T 均匀温度梯度下的半导体的能带图均匀温度梯度下的半导体的能带图+-FsdEqqVTdT 温差电动势的正负,可以判断半导体温差电动势的正负,可以判断半导体二二. .半导体与光半导体与光产生非平衡载流子gEh 半导体中会出现阻碍多半导体中会出现阻碍多子扩散的内建电场,导子扩散的内建电场,导致能带弯曲。但当光注致能带弯曲。但当光注入载流子量很小时,该入载流子量很小时,该内建电场可以忽略。内建电场可以忽略。类似于温差电动势,半导体吸收光子也

4、会产生电动势类似于温差电动势,半导体吸收光子也会产生电动势光生伏特效应。光生伏特效应。一类是发生在均匀半导体材料内一类是发生在均匀半导体材料内部部丹倍效应丹倍效应非平衡载流子扩散速度的差异而引非平衡载流子扩散速度的差异而引导起的光照方向产生电场和电位差。导起的光照方向产生电场和电位差。一类是发生在半导体的界面一类是发生在半导体的界面pn结光生伏结光生伏特效应特效应 (常用于太阳能电池)(常用于太阳能电池)光在界面层被吸收,产生电子空穴对。通光在界面层被吸收,产生电子空穴对。通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子和过空间电荷的电场作用被相互分离。电子和空穴向相反方向运动。产生一个向外的可测空穴向

5、相反方向运动。产生一个向外的可测试的电压。试的电压。光生伏特效应光生伏特效应三三. .半导体与磁半导体与磁1.1.霍耳效应霍耳效应 通了电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下,在与电流和磁场垂直的方向通了电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下,在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。上形成电荷积累和出现电势差的现象。 磁场磁场 洛仑兹力洛仑兹力 改变载流子运动的方向改变载流子运动的方向磁场作用下的通电磁场作用下的通电n半导体的霍尔效应半导体的霍尔效应xyzEH比例系数比例系数RH 霍尔系数霍尔系数BvqF洛JBEHJBREHH洛仑兹力洛仑兹力电场力电场力10HRnq 霍尔效应

6、可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数,以及判断材料的导霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数,以及判断材料的导电类型。电类型。(1)判断导电类型)判断导电类型n型型 RH0霍尔电压的正负相反霍尔电压的正负相反对对p p型半导体,同理型半导体,同理n型型 10HRpqEHqvBqEH-JBRBnqJBvEHH- )(2)测定载流子浓度及迁移率)测定载流子浓度及迁移率1HRnq 1HRpq或三参量已知,测出VH求出RH求出求出n或或p测出电导率测出电导率可求出霍尔迁移率可求出霍尔迁移率(3)霍尔器件)霍尔器件HxxVI B保持其中一个量不变,另一个或两个作变量,应用保持其中一个量

7、不变,另一个或两个作变量,应用于不同场合。于不同场合。JBREHHBbdIRbVHHBIdVRHH2. 回旋共振回旋共振 u Cyclotron resonance experiments测测 m* m* 能带结构能带结构一些物质如半导体中的载一些物质如半导体中的载( (电电) )流子在一定的恒定流子在一定的恒定( (直流直流) )磁场和高频磁场同磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振时作用下会发生抗磁共振( (常称回旋共振常称回旋共振) )电子的初速度为电子的初速度为v ,在恒定磁场(在恒定磁场(B)中:)中:ncmqBBvqfBqvqvBfsin2nvfmrcvr 回旋频率回旋频率原原 理

8、理fv/vrBv均匀均匀磁场磁场实验方法实验方法ncmqBc发生共振吸收发生共振吸收以硅为例以硅为例,回旋共振实验现象:回旋共振实验现象:(1)B沿沿111方向,观察到一个吸收峰。方向,观察到一个吸收峰。(2)B沿沿110方向,观察到两个吸收峰。方向,观察到两个吸收峰。(3)B沿沿100方向,观察到两个吸收峰。方向,观察到两个吸收峰。(4)B沿任意轴方向,观察到三个吸收峰。沿任意轴方向,观察到三个吸收峰。硅导带底附近等能面是沿硅导带底附近等能面是沿100方向的旋转椭球面。方向的旋转椭球面。Bk1 k2 k3 ncmqB 21222222212121212121)()cos(lkhlkhl lk

9、khh22cossinltltnmmmmm001四四. .半导体与力半导体与力压阻效应是指半导体受到应力作用时,由于载流子迁移率的变化,使其电阻压阻效应是指半导体受到应力作用时,由于载流子迁移率的变化,使其电阻率发生变化的现象。它是史密斯在率发生变化的现象。它是史密斯在19541954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。测试中发现的。半导体半导体施加力晶格间距变化晶格间距变化周期势场变化周期势场变化能带结构变化能带结构变化迁移率变化迁移率变化电导率变化电导率变化( ,1,2,3,4)abTa b压阻系数,四阶张量。反映压电效应的强弱。压阻系数,四阶张量

10、。反映压电效应的强弱。T应力(单位截面所受力)半导体应变计压敏二极管压敏晶体管第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制5.1 半导体与外界作用5.3 半导体与金属5.2 5.2 半导体与半导体半导体与半导体5.4 半导体与绝缘体5.2 5.2 半导体与半导体半导体与半导体半导体与半导体半导体与半导体同质结同质结异质结异质结p-n结结n+-n、p+-p结同型n-n、p-p异型n-p、p-np-n结基本结构结基本结构(1) Alloyed Junctions (合金结合金结)(2) Diffused Junctions (扩散结扩散结) (3) Ion Implantation (离子

11、注入离子注入) (4) Epitaxial Growth (外延生长外延生长)1. 制备方法制备方法最常用一一.p-n.p-n结结合金温度合金温度降温再结晶降温再结晶(1) Alloyed Junctions (合金结合金结)(2) Diffused Junctions (扩散结扩散结)扩散扩散系统系统 (3) Ion Implantation (离子注入离子注入)2 . pn结结区区(Space charge region)(Space charge region)的形成的形成漂移运动漂移运动扩散运动扩散运动+-内建电场内建电场E 刚接触,扩散刚接触,扩散(达到动态平衡)(达到动态平衡)扩散

12、扩散=漂移漂移建立内建电场建立内建电场漂移漂移P型半导体型半导体n型半导体型半导体阻挡层阻挡层 耗尽区耗尽区Depletion region空间电荷区空间电荷区Space charge region 当当p p型半导体和型半导体和n n型半导体接触在一起时型半导体接触在一起时, ,扩散和漂移这一对相反的运动最终扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。在在两者的交界面处存在着一个过渡区两者的交界面处存在着一个过渡区, ,通常称为通常称为p-np-n结结. .中性区中性区缓变结

13、与突变结缓变结与突变结1. Alloyed Junctions (合金结合金结)2. Diffused Junctions (扩散结扩散结) 3. Ion Implantation (离子注入离子注入) 4. Epitaxial Growth (外延生长外延生长)(E0prAxxqN)(E0DxxqNnrEdx,)(V x突变结空间电荷区突变结空间电荷区中的电场、电势中的电场、电势dxdExdxVdr022)(Poissons equation:In the p-region:1000)(ECxqNdxqNdxxrArAr0E,pxxprAxqNC01)(E0prAxxqN所以所以In the

14、 n-region:)(E0DxxqNnrprnrxqNxqN0A0DmaxEEdx,)(V x及及0V,pxx是连续函数 V(x), 0 x20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxV3. pn3. pn结能带结能带 (Enery band )(Enery band )势垒区势垒区- +0 VDnnoppo势垒区势垒区- +0 VDnnoppo 势垒区势垒区 高度高度 ? 空间电荷区的接触电势差空间电荷区的接触电势差 ? 势垒区势垒区 宽度宽度 ? 空间电荷区空间电荷区 宽度宽度 ? 各区域的载流子浓度分布各区域的载流子浓度分布 ? n(x)4. pn结的物理参量结的物理参量TkEE

15、pnFpFnenn00000000ln0pnDTkqVpnnnTkqVennD平衡时TkEEiniFnenn00n型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为p型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为TkEEipiFpenn00FpFnDEEqV接触电势差接触电势差VD ApDnNpNn00,全电离非简并20lniADDnNNqTkV * 势垒高度势垒高度 ND、NA 、Eg 2000000lnlnipnpnDnpnqTknnqTkV接触电势差接触电势差 (The Contact Potential)突变结突变结nDpAxNxNpnDxxXDDAAnXNNNxDDADpXNNNx空间电荷区

16、宽度空间电荷区宽度XD ,VnDxxV)(22A20DpnDrDxNxNqNVDDAAnXNNNx1022X()()rADDDADNNVqN N DDADpXNNNx20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxV空间电荷区宽度空间电荷区宽度(Space charge region width) 载流子分布载流子分布 0( )0qV xk Tpn xn e 0( )0qV xk Tpp xp e0nn0np0pn0pp)(xn( )qV x-Xp Xn 0-Xp Xn 0-Xp Xn 中性区中性区Carrier distributions TkxqVqVnDenxn0)(0 TkxqVqV

17、nDepxp0)(0 TkxqVqVnDenxn0)(0 TkxqVqVnDepxp0)(0或 0( )0qV xk Tpn xn e 0( )0qV xk Tpp xp e二二.p-n.p-n结的常规特性结的常规特性1. 1. 势垒区的自由载流子全部耗尽势垒区的自由载流子全部耗尽, ,并忽略势垒区中载流子的并忽略势垒区中载流子的产生和复合。产生和复合。现假设现假设: : 2. 2. 小注入小注入: :注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时,扩散区的漂移电场可忽略。流子浓度。在注入时,扩散区的漂移电场可忽略。1. Pn结的结的I-

18、V特性特性 外加电场与内建电场方向相反,削弱了内建电场,因而使外加电场与内建电场方向相反,削弱了内建电场,因而使势垒两端的电势差由势垒两端的电势差由V VD D减小为(减小为(V VD D-V-Vf f),相应地势垒区变薄。),相应地势垒区变薄。(1) 正向偏置正向偏置 ( Forward bias)由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为- -电注入电注入漂移漂移 扩散扩散非平衡态非平衡态1022X()()rADDDADNNVqN N 1022X()()()rADDDfADNNVVqN N 0nn0pnSpace charge regi

19、onNeutral regionDiffusion region漂移漂移 扩散扩散(2)反向偏置反向偏置 (Reverse bias)V VD D增大为(增大为(V VD D+V+Vr r),相应地势垒区加宽),相应地势垒区加宽1022X()()rADDDADNNVqN N 1022X()()()rADDDrADNNVVqN N 势垒区两侧边界上的少数载流子势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使边界处的少被强电场扫过势垒区。使边界处的少子浓度低于体内。产生了少子的扩散子浓度低于体内。产生了少子的扩散运动,形成了反向扩散电流。运动,形成了反向扩散电流。10TkqVsrreJJ类似于正

20、向偏置的方法,可求得反向电流密度类似于正向偏置的方法,可求得反向电流密度那么T T, ,k kq qV V一一般般0 0r rsrJJ式中,式中,JsJs不随反向电压变化,称为反向饱和电流密度;负号表不随反向电压变化,称为反向饱和电流密度;负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。示反向电流方向与正向电流方向相反。 p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示:结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示:1 1e eJ JJ JT Tk kqVqVs s0 0正向:正向:V= Vf反向:反向:V= -Vr(3 3)I-V characteristic of a p-n I-V cha

21、racteristic of a p-n junctionjunctionppnnnpsLDpLDnqJ00p-n结的伏结的伏-安特性安特性v 单向导电性单向导电性-整流整流Ge、Si、GaAs:、 、1Vv 具有可变电阻性具有可变电阻性讨论讨论2. p-n2. p-n结电容结电容 (Capacitance of p-n (Capacitance of p-n Junctions)Junctions)p-np-n结电容包括势垒电容和扩散电容两部分结电容包括势垒电容和扩散电容两部分(1 1)势垒电容)势垒电容C CT TQXVD由于势垒区电荷的变化表现出来由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应的

22、电容效应- -势垒电容势垒电容也称结电容(也称结电容(Junction capacitance)DTXAdVdQCv p-n结的直流伏结的直流伏-安特性表明:安特性表明: 1. 具有单向导电性。具有单向导电性。 2. 具有可变电阻性。具有可变电阻性。特别是在高频运用时,这个电容效应更为显著。特别是在高频运用时,这个电容效应更为显著。v p-n结的交流特性表明结的交流特性表明:p-n结还具有可变电容的性质结还具有可变电容的性质DTXAdVdQC势垒电容势垒电容对于线性缓变结:对于线性缓变结:31012jDrDqVVX2102DADArDDNNNNqVVX对于突变结对于突变结)(2(X0DADAr

23、DDNNNNqV对于突变结:对于突变结:2112DADADTNNNNVVqAC* 耗尽层近似条件成立耗尽层近似条件成立12142ADTTDADN NqCCAVNN(0)=4正偏下:正偏下:31212VVqACDjT其中 :杂质浓度梯度j对于线性缓变结:对于线性缓变结:荷荷量量) )变变化化Q Q( (扩扩散散区区内内储储存存电电V V变变化化 扩散电容扩散电容(2) (2) 扩散电容扩散电容也称电荷存储电容(也称电荷存储电容(charge storage capacitance charge storage capacitance )dVdQdVdQdVdQCnpDdVdQdVdQdVdQCn

24、pD0000( )(1)(1)npnnxxqVqVLk Tk TpnpnxxQq p x dxqpeedxqL pe-VkTqpnnpDnDpDenLpLkTAqCCC)(00200( )(1)nqVk TnnpxQq n x dxqL ne同理:同理:dVdQdVdQdVdQCnpD那么, 显然,显然, CT与与CD都与都与p-n结的面积结的面积A成正比,且随外加电压成正比,且随外加电压而变化。而变化。(3 3)总电容)总电容p-n结的总电容为两者之和:结的总电容为两者之和:DTjCCC大正向偏置大正向偏置p-n结时,以结时,以CD为主,为主,CjCD小正向偏置或反向偏置小正向偏置或反向偏置

25、p-n结时,结时, 以以CT为主,为主,CjCT点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底 点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后,再通过电流法而形成的。因此,其属针后,再通过电流法而形成的。因此,其PNPN结的静电容结的静电容量小量小, ,适用于高频电路。适用于高频电路。 因为构造简单,

26、所以价格便宜。对于小信号的检波、因为构造简单,所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言,它是应用范围整流、调制、混频和限幅等一般用途而言,它是应用范围较广的类型。较广的类型。 点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线 面结型与点接触型二面结型与点接触型二极管相比较,正向特性和极管相比较,正向特性和反向特性好,因此,用于反向特性好,因此,用于大电流和整流。大电流和整流。负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面

27、型集成电路中平面型PNP 型支持衬底型支持衬底影响影响p-n结伏结伏-安特性的主要因素:安特性的主要因素:产生偏差的原因:产生偏差的原因:(1)正向小电压时忽略了势垒区的复合;正向大电压时忽略)正向小电压时忽略了势垒区的复合;正向大电压时忽略了扩散区的漂移电流和体电阻上的压降。了扩散区的漂移电流和体电阻上的压降。(2)在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。)在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。三三.p-n.p-n结的异常特性结的异常特性结结I-V特性的非理想因素特性的非理想因素TkEEchnpnnnpCNUitiit022)(空间电荷区的复合电流(正向)空间电荷区的复合电流(正向)DxrUdxq

28、J0iitnpnnnpCNU2)(2max02max(1)2qVk TtiN Cn eUitEE TkqVDieXqn02222max()2()tiiN C nnUnnpn TkqVpnpieLnDqnJ002D空间电荷区的产生电流空间电荷区的产生电流 (反向)(反向)DGqGXJTkEEchnpnnnpCNUitiit022)(itEE pnni,2inU2inG 2DiXqn20pRDinpDJqnn L注入注入p+-n结的结的n侧的空穴及其所造成的电子分布侧的空穴及其所造成的电子分布大注入大注入 (正向)(正向)扩散区产生内建电场扩散区产生内建电场扩散系数D 2D2. p-n2. p-n

29、结的击穿结的击穿(Berakdown)(Berakdown)齐齐纳纳击击穿穿雪雪崩崩击击穿穿电电击击穿穿热热击击穿穿击击穿穿 在反向偏置下,当反向电压很大时,在反向偏置下,当反向电压很大时, p-n结的反向电流结的反向电流突然增加,从而破坏了突然增加,从而破坏了p-n结的整流特性结的整流特性- p-n结的击穿。结的击穿。 p-n p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加,少数载流子通过反向扩结中的电场随着反向电压的增加而增加,少数载流子通过反向扩散进入势垒区时获得的动能也就越来越大,当载流子的动能大到一定数散进入势垒区时获得的动能也就越来越大,当载流子的动能大到一定数值后,与中性原子碰撞时,可

30、以把中性原子的价电子激发到导带,形成值后,与中性原子碰撞时,可以把中性原子的价电子激发到导带,形成电子电子- -空穴对空穴对碰撞电离。碰撞电离。 (1)(1)雪崩击穿雪崩击穿(Avalanche berakdown)(Avalanche berakdown)连锁反应,使载流子的数量倍增式的急剧增多,因而连锁反应,使载流子的数量倍增式的急剧增多,因而p-np-n结的反结的反向电流也急剧增大,形成了雪崩击穿。向电流也急剧增大,形成了雪崩击穿。影响雪崩击穿电压的主要因素:影响雪崩击穿电压的主要因素:1.掺杂浓度掺杂浓度: 掺杂浓度大掺杂浓度大,击穿电压小。击穿电压小。 2.禁带宽度禁带宽度: 禁带宽

31、度越宽禁带宽度越宽,击穿电压越大。击穿电压越大。3.温温 度度: 温度升高温度升高,击穿电压增大击穿电压增大.正温度系数。正温度系数。(2)(2)齐纳齐纳击穿击穿(Zener berakdown)(Zener berakdown)或隧道击穿或隧道击穿是掺杂浓度较高的非简并是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制结中的击穿机制. 根据量子力学的观点根据量子力学的观点, ,当势垒宽度当势垒宽度X XABAB足够窄时足够窄时, ,将有将有p p区电子穿透禁带区电子穿透禁带. .当外加当外加反向电压很大时反向电压很大时, ,能带倾斜严重能带倾斜严重, ,势垒宽度势垒宽度X XABAB变得更窄变得更窄

32、. .造成很大的反向电流造成很大的反向电流. .使使p-p-n n结击穿结击穿. .XDXAB影响齐纳击穿电压的主要因素:影响齐纳击穿电压的主要因素:1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度大掺杂浓度大,击穿电压小击穿电压小. 2.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度越宽禁带宽度越宽,击穿电压越大击穿电压越大.3.温度温度:温度升高温度升高,击穿电压下降击穿电压下降. 齐纳击穿电压具有负的温度系数齐纳击穿电压具有负的温度系数,而雪崩击穿电压具有正的温度系数而雪崩击穿电压具有正的温度系数,这这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法. 掺杂浓度高掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下反

33、向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿易发生齐纳击穿. 相反相反,易发生易发生雪崩击穿雪崩击穿.(3)(3)热击穿热击穿禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿.稳压管应用举例应用举例碰撞电离雪崩渡越时间二极管(碰撞电离雪崩渡越时间二极管(IMPATTIMPATT)Impact Avalanche Transit TimeImpact Avalanche Transit Time 加反向直流电压使加反向直流电压使IMPATTIMPATT正好处于雪崩正好处于雪崩击穿临界点,再叠加一个小的微波信号。击穿临界点,再叠加一个小的微波信号。 当当p-np-n结的两边都是重掺杂时结

34、的两边都是重掺杂时: (1) : (1) 费米能级分别进入导带费米能级分别进入导带和价带和价带. (2). (2)势垒十分薄势垒十分薄. . 在外加正向或反向电压下在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透势垒产生有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流额外的电流. 隧道电流隧道电流平衡时平衡时四四.p-n.p-n结中的隧道效应结中的隧道效应加正向电压的情况加正向电压的情况加反向电压的情况加反向电压的情况热平衡(无外加电压)热平衡(无外加电压)扩散扩散电流电流隧道二极管的优点:隧道二极管的优点:温度影响小、高频特性良好温度影响小、高频特性良好应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中(其工作频率可达毫应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中(其工作频率可达毫米波段),也可以被

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