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文档简介
主讲教师:孟春办公答疑地点:中教1204#电话:68913757E-MAIL:mengch@模拟电子技术基础
■研究重点:模拟信号(在时间和幅度上均连续的信号)模拟电路(处理模拟信号的电路)模拟电子技术基础■分析方法:在电路分析中要建立“工程的概念”,学会合理近似,强调基本概念和定性分析。■主要讨论:模拟电路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用(信号放大、运算、产生、滤波、转换等)■
学时:48(38+10)■
本课程为工科专业重要技术基础课,是学校的核心课。■
入门较困难,要多下功夫。
第1章目录1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管1.3双极型三极管1.4场效应管*1.5单结晶体管和晶闸管*1.6集成电路中的元件第1章常用半导体器件
第1章难点:半导体中载流子的运动以及用载流子运动来说明半导体二极管、晶体三极管、场效应管的工作原理。(是难点但不是重点。)本章的难点和重点重点:从使用的角度出发掌握半导体二极管、晶体三极管、场效应管的外部特性和主要参数。1.1半导体的基础知识(自学)
第1章杂质半导体1.1.3PN结1.1.1本征半导体1.1.1本征半导体载流子:运载电荷的粒子和导体导电的区别:导体导电只有一种载流子——自由电子导电本征半导体导电有两种载流子——自由电子和空穴均参与导电1.1.2杂质半导体N型半导体——电子型半导体掺入少量的五价元素(磷)多子——电子少子——空穴施主原子——杂质(正离子)P型半导体——空穴型半导体掺入少量的三价元素(硼)多子——空穴少子——电子受主原子——杂质(负离子)1.1.3PN结第1章1.1
用不同的参杂工艺将P型半导体和N型半导体制作在同一块半导体单晶上,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。PN结具有单向导电性。扩散——空间电荷区(内电场)——漂移——动态平衡——PN结一、PN结的单向导电性第1章1.1注意:PN结导通时压降只有零点几伏,因此应在回路中串联电阻——限流电阻。2、PN结外加负向电压时处于截止状态。
当P极外加负向电压,N极外加正向电压时,称PN结外加负向电压(反向接法、反向偏置),PN结截止。(少子漂移运动形成负向电流,少子数目极少,电流极小)1、外加正向电压时PN结处于导通状态。
当P极外加正向电压,N极外加负向电压时,称PN结外加正向电压(正向接法、正向偏置),PN结导通。(多数载流子的扩散运动增强,形成正向电流)二、PN结的伏安特性第1章1.1由理论分析可得PN结的电流方程:其中:Is为反向饱和电流;
UT为温度电压当量。常温下(T=300K),
UT=26mV。二、PN结的伏安特性第1章1.10i(mA)u(V)正向特性PN结外加正向电压,且u>>UT时(1可略)反向特性UBR当PN结外加负向电压,且|u|>>UT时(指数项可略)UBR为反向击穿电压IS三、PN结的反向击穿第1章1.1
当反向电压超过一定数值UBR后,反向电流急聚增加,称为反向击穿。反向击穿分为两种:齐纳击穿和雪崩击穿。齐纳击穿:在掺杂浓度高的情况下,不大的反向电压可以在耗尽层产生很强的电场,直接破坏共价键,形成电子-空穴对,导致电流急剧增加。雪崩击穿:掺杂浓度低,当反向电压比较大时,耗尽层中的少子加快漂移速度,撞击共价键,形成电子-空穴对,新的电子和空穴在电场的作用下加速运动,撞出新的价电子。载流子雪崩式倍增,导致电流急剧增加。1.势垒电容
PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容,用Cb来表示。(势垒电容不是常数,与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。)PN结电容势垒电容
扩散电容第1章1.1四、PN结的电容效应在一定条件下,PN结具有电容效应。非平衡少子在扩散过程中存在浓度差,电荷量随外加电压变化而变化。所形成的电容效应称为扩散电容,用Cd与来示。
(非平衡少子:外加正向电压时,从P区扩散到N区的空穴和N区扩散到P区的电子称为非平衡少子。)
PN结正偏时,扩散电容较大,反偏时,扩散电容可以忽略不计。2.扩散电容
第1章1.1四、PN结的电容效应PN结的结电容Cj是Cb与Cd之和。第1章1.21.2半导体二极管
1.2.1二极管的结构和符号
将PN结用外壳封装起来,并加上电极引线就构成了半导体二极管,由P区引出的电极为阳极,N区引出的电极为阴极。点接触型二极管
阳极引线金属丝N型锗外壳阴极引线PN结二极管的符号阳极阴极
阳极引线SiO2保护层P型硅阴极引线
平面型二极管N型硅第1章二极管的伏安特性
一、二极管和PN结伏安特性的区别0I/mAU/V正向特性反向击穿特性反向特性UON
二极管和PN结一样具有单向导电性。(和PN结相比,二极管具有半导体体电阻和引线电阻,外加电压相同时,二极管的电流比PN结的电流小。因存在表面漏电流,二极管的反向电流比PN结大。)
在近似分析时,通常用PN结的电流方程描述二极管的伏安特性UBR一、二极管和PN结伏安特性的区别材料开启电压UON(V)导通电压(V)反向饱和电流(A)硅≈0.50.6—0.8<0.1锗≈0.10.1—0.3几十第1章1.2两种不同材料构成的二极管的比较:使二极管开始导通的临界电压称为开启电压UON。第1章1.2环境温度升高,二极管的正向特性曲线将左移,反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1℃,正向压降减小2—2.5mV;温度每升高10℃,反向电流增加约1倍。0I/mAU/VUONUBR
80℃20℃二、温度对二极管伏安特性的影响二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第1章二极管的主要参数最大整流电流IF:二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作峰值电压UR:二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常为击穿电压U(BR)的一半。3、反向电流IR:二极管未击穿时的反向电流,值越小,二极管的单向导电性越好。4、最高工作频率fM:上限工作频率。超过此值(由于结电容的作用)二极管的单向导电性将受到影响。1.2.4二极管的等效电路理想二极管:正向导通时压降为零,反向截止时反向电流为零。第1章1.2图(a)常用线性等效模型来模拟实际的二极管特性。等效模型有许多种,主要分析由伏安特性折线化得到的等效电路。1.2.4二极管的等效电路第1章1.2图中虚线表示实际的伏安特性,实线表示折线化的伏安特性。UONUON图(b)二极管正向导通时正向压降为一常数,截止时反向电流为零。UONUONrD图(c)正向电压大于开启电压后电压和电流成线性关系,截止时反向电流为零。DZ阳极阴极符号0正向特性反向击穿区IFUFUZIminIZmax伏安特性
稳压二极管是一种用硅材料制成的面接触型半导体二极管,简称稳压管。稳压管在反向击穿时,在一定电流范围内,端电压几乎不变,表现出稳压特性。第1章稳压二极管一、稳压管的伏安特性
稳压管工作在反向击穿区。由于其曲线很陡,稳压特性好。01、稳定电压UZ2、最小稳定电流Imin3、最大稳定电流Izmax4、最大允许耗散功率PZM
PZM=UZ
Izmax5、动态电阻rZ(rz越小稳压管的稳压特性越好。)6、温度系数=UZ/T第1章1.2iUZIZUZIminIZmax
rZ=IZ
UZ1.2.5稳压二极管
二、稳压管的主要参数u第1章稳压二极管
稳压管稳压电路R为稳压电路限流电阻,只有R取值合适稳压管才能安全工作在稳压状态。1.2.6其他类型二极管
第1章1.2二、光电二极管
为远红外线接收管。是一种光能与电能进行转换的器件,将接收到的光的变化转换成电流的变化。一、发光二极管
具有不同种类型(可见光、不可见光、激光等)。可见光发光二极管颜色与材料有关,颜色不同,开启电压不同。一般红色的在1.6—1.8V之间,绿色的为2V左右。第1章1.31.3双极型晶体管双极型晶体管(BJT)又称晶体三极管、半导体晶体管等。简称晶体管。NbecNP(a)平面型第1章半导体三极管的结构及类型图(a)中:
P区称为基区,很薄并且浓度很低;上面的N区称为发射区,浓度最高;下面的N区称为集电区,集电结面积很大。根据不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域,并形成两个PN结,就构成晶体管。晶体管的外特性与其内部结构特点紧密相关集电区集电结基区发射结发射区NN集电极c基极b发射极ePecb符号第1章1.3NPN型三极管
NPN型三极管三个区域:基区,集电区,发射区。三个电极分别为:基极b,集电极c,发射极e。形成两个结:集电结,发射结。集电区集电结基区发射结发射区PP集电极c基极b发射极eNecb符号第1章1.3
PNP型三极管
PNP型三极管结构及符号如图示共发射极接法放大电路晶体管工作在放大状态的外部条件是:
(1)发射结正向偏置;(2)集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:
Ube>0,Ubc
<0,即Vc>Vb>Ve对于PNP型三极管应满足:
Ube<0,Ubc>0,即Vc<Vb<Ve第1章1.3VCCRcIc
UcecebUbe输出回路输入回路公共端EbRbIb1.3.2晶体管的电流放大作用
一、晶体管工作在放大状态的外部条件晶体管是放大电路的核心元件,能够将输入信号的微小变化不失真的放大输出。NPN、PNP管在放大电路中
外部条件比较
ececbb++++++NPNPNP(最低)(最低)IEIBICVCCVBBRCRB二、晶体管的电流分配关系IEP:基区向发射区扩散形成的空穴电流。IEN:发射区向基区扩散形成的电子电流。IBN:基区中复合运动形成的电流。第1章1.3IBNIEPICBOIENICNIEIBICVCCVBBRCRB二、晶体管的电流分配关系ICN:发射区扩散到基区未被复合的自由电子(非平衡少子)漂移到集电区形成的电流。ICBO:是平衡少子在集电区与基区漂移运动形成的电流。也是发射极开路时,b-c间的反向饱和电流。第1章1.3IBNIEPICBOIENICNIEIBICVCCVBBRCRB二、晶体管的电流分配关系第1章1.3IBNIEPICBOIENICN
从外部看IE=IC+IBIE=IEN+IEPIC=ICN+ICBOIB=IBN+IEP–ICBO
=IB'–ICBO三、晶体管的直流放大系数第1章1.31.共射直流电流放大系数整理可得:基本共射放大电路射极接地,基极电流为输入,集电极电流为输出。三、晶体管的直流放大系数第1章1.3其中:ICEO:为穿透电流(基极开路时,在外加电压VCC的作用下集电极与发射极之间形成的电流)。ICBO:反向饱和电流(发射极开路时,b-c间的反向电流)。一般情况下,有IB>>ICBO,>>1,所以:IC≈
IBIE≈
(1+)IB晶体管为电流控制器件三、晶体管的直流放大系数第1章1.32.共基直流电流放大系数α可得:有:,共基极基本放大电路基极接地,发射极电流为输入,集电极电流为输出。四、晶体管的交流放大系数
1.共射交流电流放大系数:
2.共基交流电流放大系数:
在一定范围内可认为
≈
,α
≈
α
。通常,的取值在几十——一百多倍之间为好。交流放大系数为输出电流变化量与输入电流变化量之比。iB
=f(uBE)UCE=常数第1章1.3iBuBE0UCE
≥
1V0V0.5V1.3.3晶体管的共射特性曲线
一、输入特性曲线
UCE=0,特性曲线与PN结的伏安特性类似。UCE增大,电场的作用使曲线右移。当UCE增大到一定值(1V)后,曲线右移将不再明显。IB
=40µAIB
=60µAIB增加0uCE
iC
IB
减小IB
=20µAIB=
常数IC
=f
(uCE)第1章1.3二、输出特性曲线对于每个确定的IB均有一条曲线,输出特性是一组曲线族。对于一条固定的曲线,随着UCE的增加,iC逐渐增加,当UCE增大到一定的程度,iC几乎不变,
iC仅仅决定于ib。第1章1.3三、晶体管的三个工作区
晶体管的三个工作区为:截止区、放大区、饱和区。
uCE=
uBE第1章1.3三、晶体管的三个工作区(以共射电路为例)
(发射结正向偏置且集电结反向偏置)工作区域外部条件特点截止区IB=0,iC0(iC≤ICEO)uBEUon且uCE
uBE(发射结电压小于开启电压且集电结反偏)放大区
iC=
IB(iC仅仅由IB决定)uBEUon且uCE
uBE饱和区(发射结和集电结均正向偏置)uBEUon且uCE
uBE
iC
IB(iC随uCE的增大而增大)临界饱和临界放大uCE=
uBE即uCB=
0iCS=
IBS第1章1.3三、晶体管的三个工作区
UCES为饱和压降。其数值一般为:小功率管约0.20.3V;大功率管常为1V或1V以上。
第1章三极管的主要参数二、交流参数1.共射交流电流系数2.共基交流电流系数
3.特征频率fT
(因存在结电容,交流电流放大系数是输入信号频率的函数,f高到一定程度,下降且产生相移。)使
的数值下降为1时输入信号频率称为fT。α
=
iC
iE
=
iC
iB
一、直流参数1.共射直流电流系数2.共基直流电流系数
3.极间反向电流:
ICEO,
ICBO,
ICEO=(1+)ICBO
IC
IBα
IC
IE三、极限参数1.最大集电极耗散功率
PCMPCM=iC•uCE=常数(决定于温升。T硅150º、
T锗70º性能明显变坏)第1章三极管的主要参数3.极间反向击穿电压
UCBOUCEOUEBO2.最大集电极允许电流ICM
使明显下降的iC即为ICM
(合金小功率管选uCE=1v,由PCM定义ICM)高(几十~上千伏)较高低(零点几伏~几伏)1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响第1章1.3一、温度对ICBO的影响
温度每升高10℃,ICBO约增加一倍。硅管比锗管受温度影响小得多。由于半导体材料存在热敏性,晶体管的所有参数几乎均与温度有关,使用中必须解决温度稳定性问题。二、温度对输入特性的影响
温度升高正向特性左移。温度每升高1℃,|uBE|约下降2~2.5mV.1.3.5温度对晶体管特性及参数的影响第1章1.3三、温度对输出特性的影响温度升高时,增加。
(iC的变化量增大。
iC´
iC)IB1、IB2、IB3=I`B1、I`B2、I`B3第1章光电三极管
光电三极管依据光照的强度来控制集电极电流的大小。其功能可以等效一个光电二极管和一只晶体管相连。ec符号ce等效电路第1章光电三极管光电三极管的输出特性与普通三极管的输出特性曲线类似,只是用入射光强度E取代基极电流IB。1.4场效应管
第1章1.4分类:结型绝缘栅(MOS)型场效应管输入回路内阻很高(107~1012),热稳定性好,噪声低,比晶体管耗电小,应用广泛。仅靠多数载流子导电,又称单极型晶体管。场效应管(FET):是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。第1章结型场效应管(JFET)N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区,将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s,P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D
NNPP结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。结型场效应管的结构:N沟道符号dsg第1章结型场效应管dsgP沟道符号结型场效应管的符号:一、结型场效应管的工作原理第1章1.4正常工作时在栅-源之间加负向电压,(保证耗尽层承受反向电压)
漏-源之间加正向电压,(以形成漏极电流)这样既保证了栅源之间的电阻很高,又实现了ugs对沟道电流iD的控制。dsgP耗尽层N导电沟道结构示意图(以N沟道为例加以说明)1、当uDS=0时,uGS对导电沟道的控制一、结型场效应管的工作原理当uGS=0时,耗尽层很窄,导电沟道宽。当|
uGS
|增大时,耗尽层增宽,沟道变窄,电阻增大。|
uGS
|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。定义此时uGS的值为夹断电压UGS(off)
一、结型场效应管的工作原理第1章1.42、当uGS为uGS(off)~0某值时,uDS对iD的影响
当
uDS
=0时,虽有导电沟道,但iD为零。当uDS0时,产生iD,从而使沟道中各点和栅极电压不再相等,近漏极电压最大,近源极电压最小。导电沟道宽度不再相等,近漏极沟道窄,近源极沟道宽。dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD一、结型场效应管的工作原理第1章1.4dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD随着uDS增加,栅-漏电压uGD绝对值增加(uGD=uGS-uDS),近漏端沟道进一步变窄。
只要栅-漏之间不出现夹断,沟道电阻基本决定于uGS,随着uDS的增加,iD线性增加,d—s间呈电阻特性。
一、结型场效应管的工作原理第1章1.4dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD当uGD=uGS-
uDS=
UGS(off)时,靠近漏极出现夹断点。称uGD=
UGS(off)为预夹断。一、结型场效应管的工作原理第1章1.4dsgVDD(uDS)VGG(uGS)iD若uDS
继续增加,当uGD<
UGS(off)时预夹断延伸,夹断区的阻力增大。称场效应管为电压控制元件。
由于uDS的增加几乎全部落在夹断区,漏极电流iD基本保持不变。iD几乎仅仅决定于uGS,表现出恒流特性。
3、当uGD<
UGS(off)时,uGS对iD的影响
一、结型场效应管的工作原理通过以上分析有:1)uGD>UGS(off)时(未夹断前),对于不同的uGS,漏源之间等效成不同阻值的电阻,iD随uDS的增加线性增加。(对应可变电组区)2)uGD=UGS(off)时,漏源之间预夹断。3)uGD<UGS(off)时,iD几乎只决定于uGS,而与uDS无关,可以把iD近似看成uGS控制的电流源。(对应恒流区,即放大区)场效应管动态的栅-源电压对漏极电流的控制作用采用gm表示。gm称为低频跨导。第1章1.4二、结型场效应管的特性曲线iD
=f(uDS)uGS=常数1.输出特性曲线场效应管工作区域:可变电阻区(非饱和区)、恒流区(电流饱和区、放大区)、夹断区(截止区)。此外还有击穿区。(电流突然增大)第1章1.4二、结型场效应管的特性曲线2)恒流区:预夹断轨迹右边区域。条件:uGD<UGS(off)。特点:iD=gm·
uGS,iD为uGS控制的电流源。预夹断轨迹:通过连接各曲线上uGD=UGS(off)的点而成。1)可变电阻区:预夹断轨迹左边区域。条件:uGD>UGS(off)。
特点:可通过改变uGS大小来改变漏源间电阻值。第1章1.4二、结型场效应管的特性曲线3)夹断区:导电沟道被夹断。条件:uGS<UGS(off)
特点:iD=0当uDS增加到一定程度,电流突然增大,管子将被击穿。夹断电压UGS(off)定义:一般将使iD等于某一个很小值(如5A)时的uGS定义为UGS(off)。第1章1.4二、结型场效应管的特性曲线2、转移特性曲线iD
=f(uGS)UDS=常数由半导体物理分析可得恒流区iD近似表达式为:
(管子工作在可变电阻区时,不同的uDS
,转移特性曲线有很大差别。)30–1–2–3uGS/VUGS(off)iD/mA–4IDSS12注意:对于N沟结型场效应管,应保证栅源之间加反向电压。对于P沟结型场效应管,应保证栅源之间加正向电压。432104812UGS
=0V–3V–4V输出特性转移特性123–1V–20–1–2–3uGS/VUGs(off)uDS/V第1章1.4iD/mAiD/mA二、结型场效应管的特性曲线转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系–441.4.2绝缘栅型场效应管(MOS管)第1章1.4栅-源电压为零时,漏极电流为零的管子称为增强型。栅-源电压为零时,漏极电流不为零的管子称为耗尽型。MOS管分类:N沟道(NMOS)增强型耗尽型P沟道(PMOS)增强型耗尽型
绝缘栅型场效应管的栅极与源极,栅极与漏极之间均采用sio2绝缘层隔离,栅极为金属铝,又称为MOS管。
第1章1.4一、N沟道增强型MOS管通常衬底和源极连接在一起使用。栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成电容。栅-源电压改变时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。P型硅衬底源极S栅极G漏极D
衬底引线BN+N+SiO2DBSGN沟道符号第1章1.4一、N沟道增强型MOS管DBSGP沟道符号增强型MOS管符号第1章1.41.工作原理1)uGS
=0时:
D与S之间是两个PN结反向串联,无论D与S之间加什么极性的电压,iD
=0。P耗尽层衬底BN+N+SGD2)uGS
>0uDS
=0:由于绝缘层SiO2的存在,栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷,排斥P型衬底靠近SiO2的空穴,形成耗尽层。第1章1.41.工作原理3)
uGS继续增加,uDS
=0:
耗尽层增宽,同时将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成N型薄层,称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。
uGS越大,反型层越厚,导电沟道电阻越小。P衬底BN+N+SGD反型层使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)
。
第1章1.41.工作原理4)uGS
>UGS(th)
uDS
>0:
将产生一定的漏极电流iD。沟道中各点对栅极电压不再相等,导电沟道宽度不再相等,沿源-漏方向逐渐变窄。
iD随着的uDS增加而线性增大。P衬底BN+N+SGD第1章1.41.工作原理5)uGS
>UGS(th)
uGD
=UGS(th)
:随着uDS的增大,uGD减小,当uDS增大到uGD=UGS(th)时
,导电沟道在漏极一端产生夹断,称为预夹断。P衬底BN+N+SGD若uDS继续增大,夹断区延长。漏电流iD几乎不变化,管子进入恒流区,iD几乎仅仅决定于uGS。此时可以把iD近似看成uGS控制的电流源。第1章1.40uGS
=UGS(th)iD/mA0恒流区击穿区可变电阻区uGS/
V2UGS(th)输出特性转移特性uDS/ViD/mA2.特性曲线及特性方程MOS管工作区域:可变电阻区,恒流区、夹断区(及击穿区)。UGS(th)IDOuGS
=2UGS(th)夹断区IDO第1章1.42.特性曲线及特性方程iD和uGS的近似关系:IDO是uGS
=2UGS(th)时的iD。第1章1.4二、N沟道耗尽型MOS结构示意图P源极S漏极D
栅极GB耗尽层N+N+正离子反型层SiO2制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使uGS
=0,在正离子的作用下,源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向uDS,就会产生iD。
只有当uGS小于某一值时,才会使导电沟道消失,此时的uGS称为夹断电压UGS(off)。第1章1.4二、N沟道耗尽型MOSdBsgN沟道符号dBsgP沟道符号耗尽型MOS管符号N型硅衬底N++BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道
三、P沟道绝缘栅场效应管(PMOS)PMOS管与NMOS管互为对偶关系,使用时VGS
、VDS的极性也与NMOS管相反。P+P+VGSVDSID第2章2.6DBSG增强型符号dBsg耗尽型符号第1章1.4场效应管的符号及特性结型N沟道结型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型1.开启电压UGS(th)在一定的UDS下,开始出现漏极电流所需的最小栅-源电压。它是增强型MOS管的参数。(NMOS管为正,PMOS管为负)2.夹断电压UGS(off)在一定的uDS下,使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数(NMOS管为负,PMOS管为正)。4.直流输入电阻RGS(DC)
栅-源电压与栅极电流的比值,其值很高,一般
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