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文檔簡介

第1章常用半導(dǎo)體器件

半導(dǎo)體二極管

特殊二極管場效應(yīng)晶體管1.4半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.11.21.31.5晶體管1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?,三極管的電流分配和電流放大作用3.會分析含有二極管的電路。

重點:2.了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線難點:PN結(jié),單向?qū)щ娦?.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性(可做成溫度敏感元件,如熱敏電阻)。摻雜性:往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì),導(dǎo)電能力明顯改變(如二極管、三極管和晶閘管等)。光敏性:當受到光照時,導(dǎo)電能力明顯變化(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性:當環(huán)境溫度升高時,導(dǎo)電能力顯著增強半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:1.1.1

本征半導(dǎo)體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子,稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子1.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得能量(溫度升高或受光照)后,即可掙脫原子核的束縛,成為自由電子(帶負電),同時共價鍵中留下一個空位,稱為空穴(帶正電)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)??昭?/p>

溫度愈高,自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價電子來填補,而在該原子中出現(xiàn)一個空穴,其結(jié)果相當于空穴的運動(相當于正電荷的移動)。1.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

當半導(dǎo)體兩端加上外電壓時,在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意:(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,導(dǎo)電性能很差;(2)溫度愈高,載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以,溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時,又不斷復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡,半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。1.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加,自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式,稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素),形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,空穴是少數(shù)載流子。動畫1.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加,空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式,稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴動畫無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的,對外不顯電性。1.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。3.當溫度升高時,少子的數(shù)量(a.減少、b.不變、c.增多)。abc4.在外加電壓的作用下,P型半導(dǎo)體中的電流主要是

,N型半導(dǎo)體中的電流主要是。(a.電子電流、b.空穴電流)ba1.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

內(nèi)電場越強,漂移運動越強,而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡,空間電荷區(qū)厚度固定不變。----------------++++++++++++++++++++++++--------動畫形成空間電荷區(qū)1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓(正向偏置)PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱,多子的擴散加強,形成較大的擴散電流。PN結(jié)加正向電壓時,PN結(jié)變窄,正向電流較大,正向電阻較小,PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN------------------++++++++++++++++++動畫+–1.2半導(dǎo)體二極管2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場P接負、N接正內(nèi)電場PN+++------+++++++++---------++++++---–+1.2半導(dǎo)體二極管PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場

內(nèi)電場被加強,少子的漂移加強,由于少子數(shù)量很少,形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多,反向電流將隨溫度增加。動畫–+PN結(jié)加反向電壓時,PN結(jié)變寬,反向電流較小,反向電阻較大,PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++------+++++++++---------++++++---1.2半導(dǎo)體二極管1基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大,用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小,用于高頻整流和開關(guān)電路中。1.2半導(dǎo)體二極管陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)

符號D1.2半導(dǎo)體二極管2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿,失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點:非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。1.2半導(dǎo)體二極管3主要參數(shù)1.

最大整流電流

IOM二極管長期使用時,允許流過二極管的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓,一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?,甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大,說明管子的單向?qū)щ娦圆睿琁RM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,鍺管的反向電流較大,為硅管的幾十到幾百倍。1.2半導(dǎo)體二極管二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓(正向偏置,陽極接正、陰極接負)時,二極管處于正向?qū)顟B(tài),二極管正向電阻較小,正向電流較大。2.二極管加反向電壓(反向偏置,陽極接負、陰極接正)時,二極管處于反向截止狀態(tài),二極管反向電阻較大,反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿,失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響,溫度愈高反向電流愈大。1.2半導(dǎo)體二極管

二極管電路分析舉例定性分析:判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則,正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法:將二極管斷開,分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置),二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置),二極管截止

若二極管是理想的,正向?qū)〞r正向管壓降為零,反向截止時二極管相當于斷開。1.2半導(dǎo)體二極管電路如圖,求:UABV陽

=-6VV陰=-12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB=-6V否則,UAB低于-6V一個管壓降,為-6.3V或-6.7V例1:

取B點作參考點,斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里,二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–1.2半導(dǎo)體二極管兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點,斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=-6V,V2陽=0V,V1陰

=V2陰=-12VUD1=6V,UD2=12V

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通,D1截止。若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為-6V流過D2

的電流為求:UAB

在這里,D2起鉗位作用,D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–1.2半導(dǎo)體二極管ui>8V,二極管導(dǎo)通,可看作短路uo=8V

ui<8V,二極管截止,可看作開路uo=ui已知:二極管是理想的,試畫出uo

波形。8V例3:二極管的用途:

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––1.2半導(dǎo)體二極管1.3

特殊二極管1.符號UZIZIZMUZIZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩(wěn)壓管反向擊穿后,電流變化很大,但其兩端電壓變化很小,利用此特性,穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO1.3.1穩(wěn)壓管3.主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)u環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)動態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小,曲線愈陡,穩(wěn)壓性能愈好。1.3

特殊二極管光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發(fā)光二極管有正向電流流過時,發(fā)出一定波長范圍的光,目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光,它的電特性與一般二極管類似,正向電壓較一般二極管高,電流為幾~幾十mA光電二極管發(fā)光二極管1.3

特殊二極管1.4

晶體管1.4.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號:BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū):最薄,摻雜濃度最低發(fā)射區(qū):摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點:集電區(qū):面積最大1.4

晶體管1.4.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看:

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

1.4

晶體管2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1)三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2)IC

IB

,

IC

IE

3)IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化,是CCCS器件。1.4

晶體管3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。

發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散,形成發(fā)射極電流IE。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合,形成電流IBE,多數(shù)擴散到集電結(jié)。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子,漂移進入集電結(jié)而被收集,形成ICE。

集電結(jié)反偏,有少子形成的反向電流ICBO。1.4

晶體管3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集-射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE01.4

晶體管1.4.3

特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線,是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn),反映了晶體管的性能,是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線:

1)直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計性能良好的電路

重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線1.4

晶體管發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.4

晶體管1.

輸入特性特點:非線性死區(qū)電壓:硅管0.5V,鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓:NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO1.4

晶體管2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(qū):(1)放大區(qū)

在放大區(qū)有IC=IB

,也稱為線性區(qū),具有恒流特性。

在放大區(qū),發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置,晶體管工作于放大狀態(tài)。1.4

晶體管IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O(2)截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū),有IC0

。

在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置,集電結(jié)處于反向偏置,晶體管工作于截止狀態(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)(3)飽和區(qū)

當UCEUBE時,晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū),IBIC,發(fā)射結(jié)處于正向偏置,集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時,硅管UCES0.3V,

鍺管UCES0.1V。1.4

晶體管1.4.4

主要參數(shù)1.電流放大系數(shù),直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當晶體管接成發(fā)射極電路時,

表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù),晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。注意:

的含義不同,但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下,兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。1.4

晶體管例:在UCE=6V時,在Q1點IB=40A,IC=1.5mA;

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中,一般作近似處理:=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點,有由Q1和Q2點,得1.4

晶體管2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流,受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO,所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。1.4

晶體管4.

集電極最大允許電流ICM5.

集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降,當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。

當集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時,三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.

集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升,消耗功率過大,溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C,鍺管約為7090C。1.4

晶體管ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO1.4

晶體管晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、溫度每增加10C,ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。2、溫度每升高1C,UBE將減小–(2~2.5)mV,即晶體管具有負溫度系數(shù)。3、溫度每升高1C,增加0.5%~1.0%。1.4

晶體管1.5

場效應(yīng)晶體管

場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件,即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小,基本上不需要信號源提供電流,所以它的輸入電阻高,且溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:絕緣柵型場效應(yīng)管本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為:增強型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分1.5.1

絕緣柵場效應(yīng)管漏極D

柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的,稱絕緣柵型場效應(yīng)管。金屬電極(1)

N溝道增強型管的結(jié)構(gòu)柵極G源極S1.

增強型絕緣柵場效應(yīng)管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)1.5

場效應(yīng)管及其放大電路GSD符號:

由于柵極是絕緣的,柵極電流幾乎為零,輸入電阻很高,最高可達1014。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)

由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅,故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管,簡稱MOS場效應(yīng)管。1.5

場效應(yīng)管及其放大電路(2)N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見,N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開,漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。

當柵源電壓UGS=0時,不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何,其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的,反向電阻很高,漏極電流近似為零。SD1.5

場效應(yīng)管及其放大電路EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當UGS>0時,P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達表層,填補空穴形成負離子的耗盡層;N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID,管子導(dǎo)通。當UGS>UGS(th)時,將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道,將D-S連接起來。UGS愈高,導(dǎo)電溝道愈寬。(2)N溝道增強型管的工作原理1.5

場效應(yīng)管及其放大電路EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道當UGS

UGS(th)后,場效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道,開始導(dǎo)通,若漏–源之間加上一定的電壓UDS,則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以,場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。

在一定的漏–源電壓UDS下,使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。(2)N溝道增強型管的工作原理1.5

場效應(yīng)管及其放大電路(3)

特性曲線有導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th)UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V

漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)1.5

場效應(yīng)管及其放大電路N型襯底P+P+GSD符號:結(jié)構(gòu)(4)P溝道增強型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導(dǎo)電溝道

增強型場效應(yīng)管只有當UGS

UGS(th)時才形成導(dǎo)電溝道。1.5

場效應(yīng)管及其放大電路2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管GSD符號:

如果MOS管在制造時導(dǎo)電溝道就已形成,稱為耗盡型場效應(yīng)管。(1)N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導(dǎo)電溝道1.5

場效應(yīng)管及其放大電路2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管

由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道,所以在UGS=0時,若漏–源之間加上一定的電壓UDS,也會有漏極電流ID產(chǎn)生。

當UGS>0時,使導(dǎo)電溝道變寬,ID增大;當UGS<0時,使導(dǎo)電溝道變窄,ID減?。籙GS負值愈高,溝道愈窄,ID就愈小。

當UGS達到一定負值時,N型導(dǎo)電溝道消失,ID=0,稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)(即截止)。這時的UGS稱為夾斷電壓,用UGS(off)表示。

這時的漏極電流用

IDSS表示,稱為飽和漏極電流。1.5

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