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电子学 基础知识

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电子学基础知识 一． 半导体二极管及其基本电路 基本要求 正确理解：PN结的形成及单向导电性 熟练掌握：普通二极管、稳压二极管的外特性及主要参数 能够查阅电子器件相关手册 难点重点 1．ＰＮ结的形成 　　（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的ＰＮ结。 　　　　　图（1）浓度差使载流子发生扩散运动 　　（2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。 　　（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。 　　　　　图（2）内电场形成 　　（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。 　　（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 　　当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。 　　 2．ＰＮ结的单向导电性 　　（1）外加正向电压（正偏） 　　在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了ＰＮ结的正向电流。 　　观看动画（动画源文件下载） 　　（2）外加反向电压（反偏） 　　在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。 　　当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。 　　 3.二极管的基本应用电路 （1）限幅电路---利用二极管的单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2）箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　注：黑色---输入信号，蓝色---输出信号，波形为用ＥＷＢ仿真结果。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 三、半导体三极管及放大电路 基本要求 熟练掌握：放大电路的组成原则；共射、共集和共基组态放大电路工作原理；静态工作点；用小信号模型分析法分析增益、输入电阻和输出电阻；多级放大电路的工作原理，增益的计算 正确理解：图解分析法；放大电路的频率响应 一般了解：频率失真 2.1半导体的基本知识 1．半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，半导体具有光敏、热敏和掺杂特性。 2．本征半导体 （1）在0K时，本征半导体中没有载流子，呈绝缘体特性。 （2）温度升高→热激发→共价键中价电子进入导带→自由电子+空穴。 （3）两种载流子：导带中的自由电子，电荷极性为负；价带中挣脱共价键束缚的价电子所剩下的空穴，电荷极性为正。 （4）热激发条件下，只有少数价电子挣脱共价键的束缚，进入导带形成电子空穴对，所以本征半导体导电率很低。 3．杂质半导体 （1）两种杂质半导体：Ｎ型---掺入微量五价元素；Ｐ型---掺入微量三价元素。 （2）两种浓度不等的载流子：多子---由掺杂形成，少子---由热激发产生。 （3）一般情况下，只要掺入极少量的杂质，所增加的多子浓度就会远大于室温条件下所产生的载流子浓度。所以，杂质半导体的导电率高。 （4）杂质半导体呈电中性。 4．半导体中载流子的运动方式 （1）漂移运动---载流子在外加电场作用下的定向移动。 （2）扩散运动---因浓度梯度引起载流子的定向运动。 2.2ＰＮ结的形成及特性 1．ＰＮ结的形成 　　当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起的时侯，由于交界面处存在载流子浓度的差异→多子扩散→产生空间电荷区和内电场→内电场阻碍多子扩散，有利少子漂移 　　当扩散和漂移达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结。 2．ＰＮ结的单向导电性 　　外加正向电压→多子向ＰＮ结移动，空间电荷区变窄，内电场减弱→扩散运动大于漂移运动→正向电流。 　　外加反向电压→多子背离ＰＮ结移动，空间电荷区变宽，内电场增强→漂移运动大于扩散运动→反向电流。 　　当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。 2.3半导体二极管 1．半导体二极管按其结构的不同可分为点接触型、面接触型和平面型这样几类。 2．伏安特性 　　 它可划分为三个部分： 　　 （1）正向特性(外加正向电压) 　　当正向电压超过某一数值后，二极管才有明显的正向电流，该电压值称为导通电压，用Ｖth表示。 　　在室温下，硅管的Ｖth约为0.5V，锗管的Ｖth约为0.1V。当流过二极管的电流Ｉ比较大时，二极管两端的电压几乎维持恒定，硅管约为0.6～0.8Ｖ（通常取0.7Ｖ），锗管约为0.2～0.3V（通常取0.2Ｖ）。 　　（2）反向特性(外加反向电压) 　　在反向电压小于反向击穿电压的范围内，由少数载流子形成的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。 　　由二极管的正向与反向特性可直观的看出：①二极管是非线性器件；②二极管具有单向导电性。 　　（3）反向击穿特性 　　当反向电压增加到某一数值ＶBR时，反向电流急剧增大，这种现象叫做二极管的反向击穿。 3．电容效应：势垒电容与扩散电容 4．主要参数 　　器件的参数是其特性的定量描述，是我们正确使用和合理选择器件的依据。 　　（1）正向---最大整流电流ＩF 　　（2）反向---反向击穿电压ＶBR　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.4二极管应用电路 1．分析方法： 二极管是一种非线性器件，因而由二极管构成的电路一般要采用非线性电路的分析方法。 （1）图解分析法 　　其步骤为：①把电路分为线性和非线性两部分；②在同一坐标上分别画出非线性部分的伏安特性和线性部分的特性曲线；③由两条特性曲线的交点求电路的Ｖ和Ｉ。 （2）模型分析法（非线性器件线性化处理） 　　①理想二极管模型---正向导通时，压降为0；反向截止时，电流为0。 　　②恒压降模型---当二极管工作电流较大时，其两端电压为常数（通常硅管取0.7V，锗管取0.2V）。 ③交流小信号模型--若电路中除有直流电源外，还有交流小信号，则对电路进行交流分析时，二极管可等效 为交流电阻 rd=26mV/IDQ (IDQ为静态电流） 2．二极管应用电路 　　（1）限幅电路---利用二极管单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成，将信号限定在某一范围中 变化，分为单限幅和双限幅电路。多用于信号处理电路中。 　　（2）箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。 （3）开关电路---利用二极管单向导电性以接通和断开电路，广泛用于数字电路中。 （4）整流电路---利用二极管单向导电性，将交流信号变为直流信号，广泛用于直流稳压电源中。 （5）低电压稳压电路---利用二极管导通后两端电压基本不变的特点，采用几只二极管串联，获得3V以下输 出电压 2.5特殊二极管 1．稳压二极管 　　（1）工作原理 　　稳压管是一种特殊的二极管，它利用ＰＮ结反向击穿后特性陡直的特点，在电路中起稳压作用。稳压管工作在反向击穿状态。 （2）主要参数：稳定电压Ｖz、稳定电流Ｉz、最大工作电流ＩzM和最大耗散功率ＰzM 2．发光二极管 　 发光二极管是一种将电能转化为光能的特殊二极管。 　　发光二极管简写成了ＬＥＤ，其基本结构是一个ＰＮ结，它的特性曲线与普通二极管类似，但正向导通电压 一般为1～2Ｖ，正向工作电流一般为几～几十毫安。 3．光电二极管 　光电二极管又叫光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。 4．变容二极管 利用二极管结电容随反向电压的增加而减少的特性制成的电容效应显著的二极管。多于高频技术中。 例1．求图所示电路的静态工作点电压和电流。 　　　 解：（1）图解分析法 　　首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。在线性部分，其端特性方程为 　　　　　　　　　　　　Ｖ＝Ｖ1－ＩＲ 将相应的负载线画在二极管的伏安特性曲线上，如图所示，其交点便是所求的（ＩQ，ＶQ）。 （2）模型分析法 　　①理想二极管模型 　　Ｖ＝0，Ｉ＝Ｖ1／Ｒ 　　②恒压降模型 　　设为硅管，Ｖ＝0.7V，Ｉ＝（Ｖ1－Ｖ）／Ｒ 例2．如何用万用表的“欧姆”档来判别一只二极管的正、负极？ 　　分析 ：指针型万用表的黑笔内接直流电源的正端，而红笔接负端。利用二极管的单向导电性，其正向导通电阻一般在几百欧～几千欧，而反向偏置电阻一般在几百千欧以上。 　　测量时，利用万用表的“R100”和“R1K”档，若两个数值比值在100以上，认为二极管正常，否则认为二极管的单向导电性已损坏。 例3．图所示电路中，设Ｄ为理想二极管，试画出其传输特性曲线（Ｖo～Ｖi）。 　　解：（1）ｖi<0，二极管Ｄ1、Ｄ2均截止，ｖo=2.5V。 　　（2）ｖi>0 　　当0<ｖi<2.5V时，二极管Ｄ1、Ｄ2均截止，ｖo=2.5V； 　　当ｖi>2.5V时，Ｄ1导通，假设此时Ｄ2尚未导通，则ｖo=(2/3)．(vi-2.5)+2.5V； 令ｖo=10V，则ｖi=13.75V，可见当ｖi>13.25V时，Ｄ1、Ｄ2均导通，此时ｖo=10V。传输特性曲线略。 例4．试判断图中二极管是导通还是截止？并求出AO两端电压ＶA0。设二极管为理想的。 解： 分析方法 ：（1）将D1、D2从电路中断开，分别出D1、D2两端的电压； （2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。若两管都承受正向电压，则正向电压大的管子优先导通，然后再按以上方法分析其它管子的工作情况。 本题中：Ｖ12=12V，Ｖ34=12+4=16V，所以D2优先导通，此时，Ｖ12=-4V，所以D1管子截止。ＶA0 = -4V。 例5．两个稳压管的稳压值ＶZ1=5V，ＶZ2=7V，它们的正向导通压降均为0.6V，电路在以下二种接法时，输出电压Ｖo为多少？若电路输入为正弦信号ＶI=20sinωt（V），画出图（a）输出电压的波形。 解：图（a）中D1、D2都承受反向偏压，所以输出电压Ｖo=ＶZ1+ＶZ2=5V+7V=12V 若输入正弦信号ＶI=20sinωt（V）： 　　在输入信号正半周， 若 ＶI<12V 稳压管处于反向截止状态，Ｖo=ＶI；若 ＶI ≥12V 稳压管处于反向击穿状态，Ｖo=12V。 　　在输入信号负半周， 若ＶI> -1.2V稳压管处于截止状态，Ｖo=ＶI；若 ＶI ≤-1.2V稳压管处于正向导通状态，Ｖo=-1.2V。 　　图（b）中D1承受正向电压、D2承受反向偏压，所以输出电压Ｖo=0.6V+7V=12.6V 。 1、ＰＮ结外加正向电压时，扩散电流_______漂移电流，耗尽层_______。 （答案与提示） 2、（1）在图所示的电路中，当电源V=5V时，测得I=1mA。若把电源电压调整到V=10V，则电流的大小将是_____。 A.I=2mA　　B.I<2mA　　C.I>2mA （答案与提示） （2）设电路中保持V=5V不变。当温度为20摄氏度时，测得二极管正向电压ＶP=0.7V。当温度上升到40摄氏度时，则ＶP的大小是______。 A.仍等于0.7V　　B.大于0.7 　　C.小于0.7V （答案与提示） 3、图中D1-D3为理想二极管，A，B，C灯都相同，试问哪个灯最亮？ （答案与提示） 4、设硅稳压管Dz1和Dz2的稳定电压分别为5V和10V，求图中电路的输出电压Uo。已知稳压管的正向压降为0.7V。 （答案与提示） 5、图所示的电路中，Dz1和Dz2为稳压二极管，其稳定工作电压分别为6V和7V，且具有理想的特性。由此可知输出电压Uo为_______。 （答案与提示） 6、图所示电路，设Ui=sinωt(V)，V=2V，二极管具有理想特性，则输出电压Uo的波形应为图示_______图。 （答案与提示） 7、判断图所示电路中各二极管是否导通,并求A,B两端的电压值。设二极管正向压降为0.7V。 （答案与提示） 8、二极管最主要的特性是____________，它的两个主要参数是反映正向特性的____________和反映反向特性的____________。（答案） 9、用一只万用表不同的欧姆档测得某个二极管的电阻分别为250Ω和1.8KΩ （1）产生这种现象的原因是_______________________________________________。 （2）两个电阻值对应的二极管偏置条件是：250Ω为_______偏，1.8KΩ为_______偏。 （答案与提示） 10、图所示电路中，D为理想二极管，设Vi=15sinωt（V），试画出输出电压Vo的波形。 （答案） 难点重点 1．半导体三极管内部载流子的传输过程 （1）发射区向基区注入电子 　　由于发射结外加正向电压，发射结的内电场被削弱，有利于该结两边半导体中多子的扩散。流过发射极的电流由两部分组成：一是发射区中的多子自由电子通过发射结注入到基区，成为集区中的非平衡少子而形成的电子电流ＩEN，二是基区中的多子空穴通过发射结注入到发射区，成为发射区的非平衡少子而形成的空穴电流ＩEP。由于基区中空穴的浓度远低于发射区中电子的浓度，因此，与电子电流相比，空穴的电流是很小的，即 　　　　　　　　ＩE=ＩEN+ＩEP（而ＩEN>>ＩEP） （2）非平衡载流子在基区内的扩散与复合 　　由发射区注入基区的电子，使基区内少子的浓度发生了变化，即靠近发射结的区域内少子浓度最高，以后逐渐降低，因而形成了一定的浓度梯度。于是，由发射区来的电子将在基区内源源不断地向集电结扩散。另一方面，由于基区很薄，且掺杂浓度很低，因而在扩散过程中，只有很少的一部分会与基区中的多子（空穴）相复合，大部分将到达集电结。 （3）集电区收集载流子 　　由于集电结外加反向电压，集电结的内电场被加强，有利于该结两边少子的漂移。流过集电极的电流ＩC，除了包括由基区中的热平衡少子电子通过集电结形成的电子电流ＩCN2和集电区中的热平衡少子空穴通过集电结形成的空穴电流ＩCP所组成的反向饱和电流ＩCBO以外，还包括由发射区注入到基区的非平衡少子自由电子在基区通过边扩散、边复合到达集电结边界，而后由集电结耗尽层内的电场将它们漂移到集电区所形成的正向电子传输电流ＩCN1，因此 　　　　ＩC=ＩCN1+ＩCN2+ＩCP=ＩCN1+ＩCBO 式中ＩCBO＝ＩCN2+ＩCP 　　基极电流由以下几部分组成：通过发射结的空穴电流ＩEP，通过集电结的反向饱和电流ＩCBO以及ＩEN转化为ＩCN1过程中在基区的复合电流（ＩEN-ＩCN1），即 　　　　ＩB=ＩEP+（ＩEN-ＩCN1）-ＩCBO 　　3.1半导体三极管 1．半导体三极管的结构 （1）半导体三极管从结构上可分为NPN型和PNP型两大类，它们均由三个掺杂区和两个背靠背的PN结构成，但两类三极管的电压极性和电流方向相反。 （2）三个电极：基极 b、集电极 c、和发射极 e。从后面工作原理的介绍中可以看到，发射极和集电极的命名是因为它们要分别发射与接收载流子。 （3）内部结构特点：发射区的掺杂浓度远大于集电区的掺杂浓度；基区很薄，且掺杂浓度最低。 （4）三个区作用：发射区发射载流子、基区传输和控制载流子、集电区收集载流子。 2．电流的分配和控制作用 （1）条件 内部条件：三极管的结构。外部条件：发射结正偏、集电结反偏。 对NPN型：Ｖc> ＶB> ＶE Si管：ＶBE=0.7V Ge管：ＶBE=0.2V 对PNP型：Ｖc< ＶB< ＶE Si管：ＶBE=-0.7V Ge管：ＶBE=-0.2V （2）内部载流子的传输过程（参阅难点重点） （3）电流分配关系 　　在众多的载流子流中间，仅有发射区的多子通过发射结注入、基区扩散和复合以及集电区收集三个环节，转化为正向受控作用的载流子流Ic，其它载流子流只能分别产生两个结的电流，属于寄生电流。 　　为了表示发射极电流转化为受控集电极电流Ic的能力，引入参数α，称为共基极电流传输系数。其定义为 α=Ｉc／ＩE 　　　　令β＝α／（１－α），称为共射极电流传输系数。 3．各极电流之间的关系 ＩE＝Ｉc＋ＩB （1）共基接法(ＩE对Ｉc的控制作用) Ｉc＝αＩE +ＩCBO ＩB＝（1-α）ＩE -ＩCBO （2）共射接法(ＩB对Ｉc的控制作用) Ｉc＝βＩB +ＩCEO ＩE＝（1+α）ＩB +ＩCEO ＩCEO＝（1+β）ＩCBO 4．共射极电路的特性曲线(以NPN型管为例) （1）输入特性曲线 ＩB=f(ＶBE，ＶCE ) 　　输入特性曲线是指当ＶCE为某一常数时，ＩB和BE之间的关系。 　　特点：ＶCE=0的输入特性曲线和二极管的正向伏安特性曲线类似；随着ＶCE增大，输入特性曲线右移；继续增大ＶCE，输入特性曲线右移很少。 　　在工程上，常用ＶCE=1时的输入特性曲线近似代替ＶCE>1V时的输入特性曲线簇。 （2）输出特性曲线 　　输出特性曲线是指当ＩB为某一常数时，ＩC和ＶCE之间的关系，可分为三个区： 　　　截止区：发射结反偏，集电结反偏，发射区不能发射载流子，ＩB≈0，ＩC≈0。 　　 放大区：发射结正偏，集电结反偏。其特点是：ＶBE≈0.7V(或0.2V)，ＩB>0，ＩC与ＩB成线性关系,几乎与 ＶCE无关。 　　 饱和区：发射结正偏，集电结正偏，随着集电结反偏电压的逐渐减小（并转化为正向偏压），集电结的空间电荷 区变窄，内电场减弱，集电结收集载流子的能量降低，ＩC不再随着ＩB作线性变化，出现发射极发射有 余，而集电极收集不足现象。其特点是：ＶCE很小，在估算小功率管时，对硅管可取0.3V（锗0.1V）。 对PNP型管，由于电压和电流极性相反，所以特性在第三象限。 4．主要参数 　电流放大倍数，集电极最大允许电流ＩCM，集电极耗散功率PCM，反向击穿电压Ｖ（BR）CEO等 3.2共射极放电电路 1．放大的原理和本质（以共发射极放大电路为例） 　　交流电压ｖi通过电容Ｃ1加到三极管的基极，从而使基极和发射极两端的电压发生了变化： 由ＶBE→ＶBE ＋ｖi， 　　由于PN结的正向特性很陡，因此ｖBE的微小变化就能引起ｉE发生很大的变化： 由ＩE→ＩE+ △ＩE， 　　由于三级管内电流分配是一定的，因此ｉB和ｉC作相同的变化，其中ＩC→ＩC +△ＩC。 　　ｉC流过电阻Ｒc，则Ｒc上的电压也就发生变化： 由ＶRc→ＶRc +△ＶRc。 　　由于ｖCE=ＶCC-ｖRc，因此当电阻Ｒc上的电压随输入信号变化时，ｖCE也就随之变化，由ＶCE→ＶCE+△ＶCE，ｖCE中的变化部分经电容Ｃ2传送到输出端成为输出电压ｖo。如果电路参数选择合适，我们就能得到比△ｖi大得多的△ｖo。 　　所以，放大作用实质上是放大器件的控制作用，是一种小变化控制大变化。 2．放大电路的特点 　交直流共存和非线性失真 3．放大电路的组成原则 正确的外加电压极性、合适的直流基础、通畅的交流信号传输路径 4．放大电路的两种工作状态 （1）静态：输入为0，ＩB、ＩC、ＶCE都是直流量。 （2）动态：输入不为0，电路中电流和电压都是直流分量和交流分量的叠加。保证在直流基础上实现不失真放 大。 5．放大电路的分析步骤 （1）先进行静态分析：用放大电路的直流通路。 直流通路：直流信号的通路。放大电路中各电容开路即可得到。 （2）在静态分析的基础上进行动态分析：用放大电路的交流通路。 交流通路：交流信号的通路。放大电路中各电容短接，直流电源交流短接即可得到。 3.3图解分析法 1．静态分析 （1）先分析输入回路 　　首先把电路分为线性和非线性两部分，然后分别列出它们的端特性方程。在线性部分，其端特性方程为 ＶBE＝ＶCC－ＩB*ＲB 将相应的负载线画在三极管的输入特性曲线上，其交点便是所求的（ＩBQ，ＶBQ）。 （2）再分析输出回路 　　用同样的方法，可得到输出回路的负载线方程（直流负载方程）为 ＶCE＝ＶCC－ＩC*ＲC 将相应的负载线（直流负载线，斜率为1/Rc）画在三极管的输出特性曲线上，找到与ＩB=ＩBQ相对应的输出特性曲线，其交点便是所求的（ＩCQ，ＶCEQ）。 2．动态分析（参阅难点重点） 　　交流负载线：是放大电路有信号时工作点的轨迹，反映交、直共存情况。其特点为过静态工作点Q、斜率为 1/（Rc//RL）。 3．放大电路的非线性失真及最大不失真输出电压 （1）饱和失真：静态工作点偏高，管子工作进入饱和区（NPN管，输出波形削底；PNP管，输出波形削顶） 　　 （2）截止失真：静态工作点偏低，管子工作进入截止区（NPN管，输出波形削顶；PNP管，输出波形削底） 　　观看动画 （3）最大不失真输出电压Vom 　　如图 Vom1=VCE-VCES 且因为ICEO趋于0 ， Vom2=ＩCQ*（ＲC//ＲL） 　　所以Vom为Vom1及Vom2中较小者，以保证输出波形不失真。 4．图解分析法的特点 　　图解分析法的最大特点是可以直观、全面地了解放大电路的工作情况，并能帮助我们理解电路参数对工作点的影响，并能大致估算动态工作范围，另外还可帮助我们建立一些基本概念，如交直流共存、非线性失真等。 　　图解分析法实例（工作点移动对输出波形的影响），观看动画。 3.4小信号模型分析法 指导思想：在一定条件下，把半导体三极管所构成的非线性电路转化为线性电路。 1．半导体三极管的小信号模型 （1）三极管小信号模型的引出，是把三级管作为一个线性有源双口网络，列出输入和输出回路电压和电流的关系，然后利用取全微分或泰勒展开的方法得到Ｈ参数小信号模型。 （2）关于小信号模型的讨论： 　①小信号模型中的各参数，如ｒbe、β均为微变量，其值与静态工作点的位置有关，并非常数。 　②受控电流源的大中、流向取决于ｉb 　③小信号模型适用的对象是变化量，因此电路符号不允许出现反映直流量或瞬时总量的大下标符号。 2．用H参数小信号模型分析共射基本放大电路 （1）画出小信号等效电路 方法：先画出放大电路的交流通路（电容及电源交流短接），然后将三极管用小信号模型代替。 （2）求电压放大倍数 （3）求输入电阻 （4）求输出电阻 　　以下给出了一共射基本放大电路的分析过程，观看动画。 3.5放大电路的工作点稳定问题 偏置电路：一是提供放大电路所需的合适的静态工作点；二是在环境温度、电源电压等外界因素变化时，保持静态工作点的稳定。 1．温度对放大电路静态工作点的影响 Ｔ↑→VBE↓、β↑、ＩCBO↑→ＩC↑ 　　静态工作点变化，可能导致放大电路输出波形失真。 2．稳定静态工作点方法：在放大电路中引电流负反馈（常用射极偏置电路）、采用补偿法。 3．射极偏置电路 　　稳定静态工作点的过程：（1）利用Ｒb1和Ｒb2组成的分压器以固定基极电位；（2）利用Ｒe产生的压降反馈到输入回路，改变ＶBE，从而改变ＩC。 3.6共射极电路、共集电极电路和共基极电路特点 1．共射极电路 共射极电路又称反相放大电路，其特点为电压增益大，输出电压与输入电压反相，低频性能差，适用于低频、和多级放大电路的中间级。 2．共集电极电路 　　共集电极电路又称射极输出器、电压跟随器，其特点是：电压增益小于1而又近似等于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低，常用于多级放大电路的输入级、输出级或缓冲级。 3．共基极电路 　　电路特点：输出电压与输入电压同相，输入电阻底，输出电阻高，常用于高频或宽频带电路。 3.7放大电路的频率响应 1．频率响应的基本概念 （1）频率响应：放大电路对不同频率的稳态响应。 （2）频率失真：包括幅度失真和相位失真，均属于线性失真。 2．RC低通电路的频率响应 （1）幅频响应： （2）相频响应： 　　　　　　　　ψ=-argtg(ｆ／ｆH) 3．RC高通电路的频率响应 　　RC高通电路与RC低通电路成对偶关系。 4．波特图 　　为了能同时观察到低频和高频段幅频变化特性，在绘制幅频特性曲线时，通常横坐标和纵坐标均采用对数坐标形式，称之为波特图。 5．放大电路存在频率响应的原因 　　放大电路存在容抗元件（例如外接的耦合电容、旁路电容和三极管的极间电容），使的放大电路对不同频率的输出不同。通常外接电容可以等效为RC高通电路，因而影响下限频率，而三极管的极间电容可以等效为RC低通电路，因而影响上限频率。 2．放大电路的动态分析（图解法） 　　放大电路输入端接入输入信号vi后的工作状态，称为动态。在动态时，放大电路在输入信号vi和直流电源Vcc共同作用下工作，这时候，电路中既有直流分量，又有交流分量，形成了交、直流共存于同一电路之中的情况，各极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号vi作相应变化的交流分量。 　　一般用放大电路的交流通路来分析放大电路中各个交流量的变化规律及动态性能。所谓交流通路是指交流电流流经的路径。由放大电路画交流通路的原则是：（1）由于交流通路中只考虑交流信号的作用，直流电源Vcc内阻很小，将它作短路处理；（2）由于耦合电容和旁路电容足够大，对交流量可视为短路。 　　注意，在交流通路中的电流、电压都是交流量。 　　对放大电路的动态分析，主要采用图解法和微变等效电路法。在这里，我们讨论图解法。 　　图解法的思路是先根据输入信号vi的的变化规律，在输入特性曲线上画出iB的波形，然后根据iB的变化规律在输出特性曲线上画出iC和vCE的波形。 　　1）根据vi在输入特性曲线上求iB 　　2）画出交流负载线 　　在动态时，放大电路输出回路的iC和vCE，既要满足三极管的伏安特性曲线，又要满足外部电路的伏安关系。交流负载线是有信号时放大电路工作点的轨迹，是交、直流共存的情况。 　　3）由输出特性曲线和交流负载线求iC和vCE 　　由图解分析，可得出如下几个重要结论： 　　1）三极管各极间电压和各电极的电流都是由两个分量线性叠加而成的脉动量，其中一个是由直流电源Vcc引起的直流分量，另一个是随输入信号vi而变化的交流分量。虽然这些电流电压的瞬时值是变化的，但它们的方向是始终不变的。 　　2）当输入信号vi是正弦波时，电路中各交流分量都是与输入信号vi同频率的正弦波，其中vbe、ib、ic与vi同相，而vce、vo与vi反相。输出电压与输入电压相位相反，这种现象称为“倒相”，是共射放大电路的一个重要特征。 　　3）输出电压vo和输入电压vi不但是同频率的正弦波，而且vo的幅度比vi的幅度大得多，这说明，vi经过电路被线性放大了。还可以看出，只有输出信号的交流分量才是反映输入信号变化的，所以我们说的放大作用，只能是输出的交流分量和输入信号的关系，而绝对不能把直流分量也包含在内。 　　图解分析法的特点：直观、形象，有助于建立一些重要概念，如交、直流共存，静态和动态。 例1．半导体三极管为什么可以作为放大器件来使用，放大的原理是什么？试画出固定偏流式共发射极放大电路的电路图，并分析放大过程。 答：放大的原理是利用小信号对大信号的控制作用，利用ｖBE的微小变化可以导致ｉC的大变化。固定偏流式共发射极放大电路的放大过程，参阅“内容提要——第2页”。 例2．电路如图所示，设半导体三极管的β=80，试分析当开关K分别接通A、B、C三位置时，三级管各工作在输出特性曲线的哪个区域，并求出相应的集电极电流Ic。 解：（1）当开关Ｋ置A，在输入回路ＩB．Ｒb+ＶBE=Vcc，可得ＩB=Vcc/Ｒb=0.3mA 　　假设工作在放大区，则ＩC=β．ＩB=24mA，ＶCE=Vcc-ＩC．Ｒe< 0.7V，故假设不成立，三级管工作在放大区。此时，ＶCE=ＶCES=0.3V，ＩC=Vcc/Ｒe=3mA （2）当开关Ｋ置B，同样的方法可判断三级管工作在放大区，ＩC=β．ＩB=1.92mA （3）当开关Ｋ置C，三级管工作在截止状态，ＩC=0 例3.某固定偏流放大电路中三极管的输出特性及交、直流负载线如图所示，试求： （1）电源电压ＶCC、静态电流ＩB、ＩC和ＶCE。 （2）电阻Rb、Rc的值。 （3）输出电压的最大不失真幅度。 （4）要使该电路能不失真地放大，基极正弦电流的最大幅度是多少？ 解： （1）直流负载线与横坐标的交点即ＶCC值,ＩB=20uA,Ｉc=1mA ＶCE=3V （2）因为是固定偏听偏流放大电路,电路如图所示 Ｒb=ＶCC/ＩB=300KΩ Ｒc=(ＶCC-ＶCE)/ＩC=3KΩ （3）由交流负载线和输出特性的交点可知,在输入信号的正半周,输出电压ｖCE从3V到0.8V,变化范围为2.2V，在输入信号的负半周,输出电压ｖCE从3V到4.6V,变化范围为1.6V。综合考虑，输出电压的最大不失真幅度为1.6V。 （4）同样的方法可判断输出基极电流的最大幅值是20μA. 　　　　　　　　　　　　　　　　例4.电路如图所示，已知三极管的β=100，VBE=-0.7V （1）试计算该电路的Q点； （2）画出简化的H参数小信号等效电路； （3）求该电路的电压增益AV，输入电阻Ri,输出电阻Ro。 （4）若VO中的交流成分出现如图所示的失真现象，问是截止失真还是饱和失真？为消除此失真，应调节电路中的哪个元件，如何调整？ 解：(1)ＩB=ＶCC/Ｒb=40μA ＶCE=-(ＶCC-ＩC.ＲC)=-4V (2)步骤：先分别从三极管的三个极（b、e、c）出发，根据电容和电源交流短接，画出放大电路的交流通路；再将三极管用小信号模型替代；并将电路中电量用瞬时值或相量符号表示，即得到放大电路的小信号等效电路。 注意受控电流源的方向。（图略） (3)ｒbe=200+(1+β)26mA/ＩEQ =857Ω ＡV=-β(ＲC//ＲL)/ｒbe=-155.6 (4)因为ｖEB=-ｖi+ＶCb1=-ｖi+ＶEB 从输出波形可以看出，输出波形对应ｖs正半周出现失真，也即对应ｖEB减小部分出现失真，即为截止失真。减小Ｒb，提高静态工作点，可消除此失真。 说明： 分析这类问题时，要抓住两点：（1）发生饱和失真或截止失真与发射结的电压有关（对于NPN型管子，为ｖBE；对于PNP型管子为ｖEB），发射结电压过大（正半周），发生饱和失真；过小（负半周），发生截止失真。（2）利用放大电路交、直流共存的特点，找出发射结电压与输入信号之间的关系。这里，要利用耦合电容两端的电压不变（因为为大电容，在输入信号变化的范围内，其两端的电压认为近似不变），如上题式子中的ＶCb1=ＶEB。 例5.电路如图所示为一两级直接耦合放大电路，已知两三极管的电流放大倍数均为β，输入电阻为ｒbe，电路参数如图，计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。 解：本放大电路为一两级直接耦合放大电路，两极都是共集电极组态。计算其性能指标时，应注意级间的相互影响。 （1）求电压放大倍数 ＡV=ＶO/Ｖi 画出放大电路的小信号等效电路。 ＡV1=ＶO1/Ｖi=（1+β）（Re1//RL1）/[ｒbe+（1+β）（Re1//RL1）] ＡV2=ＶO/ＶO1=（1+β）（Re2//RL）/[ｒbe+（1+β）（Re2//RL）] ＡV=ＶO/Ｖi=ＡV1*ＡV2 其中：RL1为第一级放大电路的负载电阻，RL1=ｒbe+（1+β）（Re2//RL） （2）输入电阻Ri Ri=Ｖi/Ii=Rb1//[ｒbe+（1+β）（Re1//RL1） （3）输出电阻Ro Ro=Re2//[（ｒbe+Ro1）/（1+β）] 其中：Ro1为第一级放大电路的输出电阻，Ro1=Re1//[（ｒbe+（Rb1//Rs））/（1+β）] 1、测得某NPN管得ＶBE＝0.7V，ＶCE＝0.2V，由此可判定它工作在_______区。 2、为保证BJT共发射极放大器不产生削波失真，并要求在2K得负载上有不小于2V得信号电压幅度，在选择静态工作点时，就应保证|ＩCQ|≥_______，|ＶCEQ|≥_______。 （注：以上两题为2000年北京理工大学研究生入学考试“模拟与数字电路”考题） （答案） 7、在由PNP晶体管组成的基本共射放大电路中，当输入信号为1KHz、5mV的正弦电压时，输出电压波形出现了顶部削平的失真。这种失真是____。 A.饱和失真　B.截止失真　C.交越失真　D.频率失真 （答案与提示） 8、在如图所示的基本放大电路中，输出端接有负载电阻RL，输入端加有正弦信号电压。若输出电压波形出现底部削平的饱和失真，在不改变输入信号的条件下，减小RL的值，将出现什么现象？ A.可能使失真消失　　B.失真更加严重　　C.可能出现波形两头都削平的失真。 （答案与提示） 9、为了使一个电压信号能得到有效的放大，而且能向负载提供足够大的电流，应在这个信号源后面接入什么电路？ A.共射电路　　B.共基电路　　C.共集电路　　 （答案与提示） 10、在如图所示的放大电路中，设Vcc=10V，Rb1=4KΩ,Rb2=6KΩ,Rc=2KΩ,Re=3.3KΩ,Rl=2KΩ。电容C1，C2和Ce都足够大。若更换晶体管使β由50改为100，ｒbb约为0)，则此放大电路的电压放大倍数____。 A.约为原来的2倍　　B.约为原来的0.5倍　　C.基本不变　　D.约为原来的4倍 （答案与提示） 3、在晶体管放大电路中测得三个晶体管的各个电极的电位如图所示。试判断各晶体管的类型(是PNP管还是NPN管,是硅管还是锗管),并区分e、b、c三个电极。 （答案与提示） 4、用万用表直流电压档测得电路中晶体管各电极的对地电位，试判断这些晶体管分别处于那种工作状态（饱和、截止、放大、倒置或已损坏）。 （答案与提示） 5、如下电路能否实现正常放大？ （答案与提示） 6、某同学为验证基本共射放大电路电压放大倍数与静态工作点的关系，在线性放大条件下对同一个电路测了四组数据。找出其中错误的一组。 A. Ic=0.5mA,Ui=10mV,Uo=0.37V 　　B.Ic=1.0mA,Ui=10mV,Uo=0.62V C. Ic=1.5mA,Ui=10mV,Uo=0.96V　　 D.Ic=2mA,Ui=10mV,Uo=0.45V （答案与提示） 11、对于如图所示电路，问关于放大倍数的计算，以下式子哪个正确？ A.-β[(Rc||RL)/(rbe+Re)]　B.-β[(Rc||RL)/rbe]　C.-β[(Rc||RL)/(Rb1||Rb2||rbe)] （答案与提示） 12、设图所示的的放大电路处于正常放大状态，各电容都足够大。则该电路的输入电阻为____。 A. Ri=Re||[rbe+(Rb1+ Rb2)]　 　B. Ri=Re||rbe C. Ri=Re||{[rbe+(Rb1+ Rb2)] /(1+β)}　D.Ri=Re||[rbe/(1+β)] （答案与提示） 13、一个放大电路的中频电压放大倍数 Ａvm=-10, ｆL=50Hz, ｆH=100KHz ，由图中Ｖi的波形分别画出对应的Ｖo波形。 （提示） 14、电路如图所示(用(a)增大,(b)减小,(c)不变或基本不变填空) ①若将电路中Ce 由100μF ,改为10μF,则|Avm|将_______,ｆL将________,ｆH将 ________ ,中频相移将 _________. ②若将一个6800pF 的电容错焊到管子b,c两极之间,则|Avm|将______, ｆL将_______, ｆH将________ ③若换一个ｆT较低的晶体管,则|Avm|将_______,ｆL将_______,ｆH将_______. （答案与提示） 15、一个放大电路的对数幅频特性如图所示.由图可知,中频放大倍数|Avm|=_______, ｆL为_______,ｆH为________,当信号频率为ｆL或ｆH时,实际的电压增益为 ________. （答案与提示） 16、已知一放大电路对数幅频特性如图，回答： （1）该电路由几级阻容耦合电路组成？ （2）每一级的ｆL及ｆH各是多少？ （3）总的放大倍数|Ａvm|、ｆL、ｆH有多大？ （答案与提示） 17、电路如图，设两管β=100,ｒbb=0,ＶBE=0.7V, 求:（1）ＩC1,ＶCE1,ＩC2,ＶCE2. （2）Ａv1,Ａv2及Ａv （3）Ｒi，Ｒo （答案与提示） 18、自举式射极输出器如图，自举电容ＣB足够大，求： （1）静态工作点ＩE （2）输入电阻Ri及电压增益Ａvs=Ｖo/Ｖs （答案与提示） 四、场效应管放大电路 基本要求 熟练掌握：共源、共漏组态放大电路工作原理；静态工作点；用小信号模型分析增益、输入、输出电阻　 难点重点 1．场效应管放大电路与晶体管放大电路类比关系 　　场效应管和晶体管放大电路工作机理不同，但两种器件之间存在电极对应关系，即栅极G对应基极，源极S对应发射极，漏极D对应集电极，但晶体三极管是电流控制器件，场效应管是电压控制器件。 　　在分析放大电路时，均采用微变等效电路法。需注意两者不同之处是受控源的控制量。场效应管受电压控制，晶体三极管受电流控制。场效应管输入电阻很高，分析时，可认为输入端开路。在实际分析中，包含场效应管的电路比包含晶体管的电路简单。 2．JFET的工作原理（以N沟道器件为例） 　　预备知识：PN结正偏，空间电荷区变窄；PN结反偏，空间电荷区变宽。 　　　　　　　N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。 　　结型场效应管的结构，观看动画。 （1）栅源间电压ＶGS对ＩD的控制 　　　　　　　（a）　　　　　　　　　　　　　（b）　　　　　　　　　　　　　 （c） 　　当漏源间短路，栅源间外加负向电压ＶGS时，结型场效应管中的两个PN结均处反偏状态。随着ＶGS负向增大，加在PN结上的反向偏置电压增大，则耗尽层加宽。由于N沟道掺杂浓度较低，故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽，使得沟道变窄，沟道电阻增大，如图（b）所示。 　　当ＶGS负向增大到某一值后，结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇，沟道被完全夹断，此时漏源间的电阻将趋于无穷大，如图（c）所示。相应于此时的漏源间电压ＶGS称为夹断电压，用ＶGS(off)（或ＶP）表示。 　　观看动画 （2）漏源电压ＶDS对沟道的影响 　　　　　　 （a）　　　　　　　　　　　　　（b）　　　　　　　　　　　　　（c） 　　当ＶGS>Ｖp且为某一定值，如果在漏源间加上正向电压ＶDS，ＶDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场，该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流ＩD。 　　由于导电沟道存在电阻，ＩD流经沟道产生压降，使得沟道中各点的电位不再相等，于是沟道中各点与栅极间的电压不再相等，也就是加在PN结两端的反向偏置电压不再相等，近源端PN结上的反向电压最小，近漏端的反向电压最大，结果使耗尽区从漏极到源极逐渐变窄，导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布，如图（a）所示。 　　随着ＶDS的增大，ＩD增大，沟道不等宽的现象变得明显，当ＶDS增大到某一值时，近漏端的两个耗尽区相遇，这种情况称为预夹断，如图（b）所示。 　　继续增大ＶDS，夹断点将向源极方向延伸，近漏端出现夹断区，如图（c）所示。 　　由于栅极到夹断点A之间的反向电压ＶGA不变，恒为ＶP，因此夹断点到源极之间的电压也就恒为ＶGS-ＶP，而ＶDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上，形成较强的电场。在这种情况下，从漏极向夹断点行进的多子自由电子，一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极，形成漏极电流。 　　一般情况下，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此ＶDS的增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，所以可近似认为ＩD是不随ＶDS而变化的恒值。 　　观看动画（动画源文件下载） 3．MOSFET的工作原理（以N沟道增强型器件为例） 　　MOS管是指由金属（Metal）、氧化物（Oxide）、半导体（Semiconductor）三种材料构成的三层器件。具体内部结构，观看动画。 （1）栅源间电压ＶGS对ＩD的控制 　　当栅源间无外加电压时，由于漏源间不存在导电沟道，所以无论在漏源间加上何种极性的电压，都不会产生漏极电流。 　　正常工作时，栅源间必须外加电压以使导电沟道产生，导电沟道产生过程如下： 　　①当在栅源间外加正向电压ＶGS时，外加的正向电压在栅极和衬底之间的ＳiＯ2绝缘层中产生了由栅极指向称底的电场，由于绝缘层很薄（0.1um左右），因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近ＳiＯ2一侧P型硅中的多子（空穴）受到排斥而向体内运动，从而在表面留下不能移动的负离子，形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。 　　②随着正向电压ＶGS的增大，耗尽层也随着加宽，但对于P型半导体中的少子（电子），此时则受到电场力的吸引。当ＶGS增大到某一值时，这些电子被吸引到P型半导体表面，使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层，鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的，故将它称为反型层。 　　反型层与漏源间的两个N型区相连，成为漏源间的导电沟道。这时，如果在漏源间加上电压，就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的ＶGS值称为开启电压，用ＶGS(on)（或ＶT）表示。 　　③显然，栅源电压ＶGS越大，作用于半导体表面的电场越强，被吸引到反型层中的电子愈多，沟道愈厚，相应的沟道电阻就愈小。 　　观看动画　　 （2）漏源电压ＶDS对沟道的影响 　　ＩD流经沟道产生压降，使得栅极与沟道中各点的电位不再相等，也就是加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道产生变化，导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布。 　　余下情况的分析与JFET类似。观看动画 对照读物： 谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第四版．北京：高等教育出版社，１９９９　Ｐ１０１－１１２ 谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第三版．北京：高等教育出版社，１９８８　Ｐ８７－９５ 4．场效应管放大电路 　　场效应管和半导体三极管一样能实现信号的控制作用，所以也能组成放大电路，不同的是，半导体三极管是通过基极电流来控制集电极电流，而场效应管则是通过栅源电压来控制漏极电流。 　　场效应管组成放大电路时，也必须设置合适的静态工作点，所不同的是，场效应管是电压控制器件，它只需合适的偏压，而不需要偏流，不同类型的场效应管，对偏置电压的极性有不同的要求。 　　（1）偏置方式：固定偏压、自偏压、分压式自偏压。 　　（2）静态分析：图解法、近似计算法。 　　（3）动态分析：一般用小信号模型法。 　　　　　　　　　　　　　　 主页 栏目导航 大纲要求 辅导内容 讨论留言 教材参考 相关网站 □关于我们 □联系我们 说明：本页观点属个人观点。（以下图书，我校图书馆均有收藏，欢迎大家借阅。） 华中理工大学电子学教研室编，康华光主编．电子技术基础（模拟部分）．第四版．北京：高等教育出版社，１９９９ 简评 内容比较通俗易懂，每一节后增设了若干个思考题是它最大的特点，另外，每一章后习题选择十分经典，适合作为教材使用。 谢嘉奎等编．电子线路（线性部分）．第三版．北京：高等教育出版社，１９８８ 简评 概念严密，内容有深度，但又不失可读性。关于三级管、场效应管内部结构部分，以及小信号模型推导部分的讲解，是本页所列几本书中，唯一能让我信服的书籍。以上两个部分推荐为必读部分。另外，关于第四章“放大器基础”以及第五章“放大电路中的负反馈”也是它的精彩章节。 简评 内容通俗易懂，其中关于三极管放大电路的放大原理、图解法、负反馈部分及运放的线性应用部分，推荐为初学者必读部分，本书为最好的课后参考书，推荐使用。 简评 本书的内容与它的书名十分贴切，针对难点重点进行讲解，非常适合课余翻阅，推荐为必备参考书。 全国电子技术基础课程教学指导小组编，童诗白，何金茂主编．电子技术基础试题汇编（模拟部分）．北京：高等教育出版社，１９９２ 中国矿业大学信息与电气工程学院 cumtanalog@21 　场效应管是利用半导体表面或内部电场效应来控制输出电流（ｉD）大小的一种半导体器件，它输入端基本上不取电流，具有一系列优点。 　　根据结构的不同，场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两大类。 4.1结型场效应管 　　结型场效应管有N沟道和P沟道两种。 　　一、特性曲线 　　（1）输出特性曲线 　　从输出特性曲线上很明显的得出：场效应管是电压控制型器件，栅源间电压ｖGS控制漏极电流ｉD。 　　（2）转移特性曲线 　　可直接从输出特性曲线上用作图法求出。 　　二、主要参数 　　夹断电压、饱和漏极电流、低频跨导、输出电阻、最大耗散功率 4.2绝缘栅型场效应管 　　由于栅极与源极、漏极之间是相互绝缘的，故称为绝缘栅场效应管。 　　一、MOS管的分类 　　根据M

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