模电基础知识讲解.docx
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模电基础知识讲解
第一讲电荷
一、正电荷和负电荷
初中的时候我们学习过的物理和化学里有有关自然界中的物质的定义是:
物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和核外电子组成。
原子核带正电,核外电子带负电。
元索的序号•就是一个原子中原子核内正电荷的数目,核外电子的数目,j核内正电荷的数目相等,正电荷和负电荷相互抵消而呈电中性。
所以,正常情况下物质是电中性的,即不带电的。
当原子获得一定的能量后,其核外电子容易摆脱原子核的束缚而挣脱出来,叫做自由电子。
任何元素都令其自身的化合价,化合价有表达能够摆脱原子核束缚的口由电子数目多少的特征。
如,硅原子的序号是14,表示有14个核外电子,14个核内正电荷。
但是化介价是4,即叮能域多有4个核外电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子,其余10个永远被原子核束缚,不得挣脱。
核外电子在原子核周用是按层次有规律的飞旋运转的・
正电荷和负电荷有相互吸引的作用,同种电荷有互相排斥的作用。
二、物质带电
当我们设法把正电荷和负电荷分开,物质就带电了。
例如,物质的一头带正电荷,另一头带负电荷。
或者我们把某物质的某种电荷移走一部分,这个物质就剩卜与移走的电荷的反电荷,数屋相同,这个物质也就带电了。
通常的方法是摩擦起电或感应起电或接触起电。
摩擦起电:
用丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒上就产生了正电荷。
感应起电:
用一个带某种电荷的物体,靠近另•个电屮性的物体,这个电屮性的物体的异种电荷被带电物体吸引,靠近带电物体,同种电荷被排斥到另一头。
接触起点:
一个带电物体接触一电中性的物体,带电物体所带的电荷移动一部分到电中性的物体,电中性的物体也带电了。
如果我们把物质的某种电荷移走,但是该物质能源源不断的补充这种电荷,这叫电源。
第二讲电流、电压、电阻和欧姆定律
一、电流
电荷的定向移动,形成电流。
为什么要加上“定向”呢?
冈为物质里而的电荷是无时无刻的在运动着,但不定向自由运动,就不能形成电流。
二、电压
电压是形成电流的要素,一根导体两端如果有电压,这根导体上就产生了电流。
上一讲谈到的电源,有电压的电源,也有电流的电源,他们是可以相互转换的。
三、电阻
阻冈电流通过的物体足电阻,任何令形物质都只有电阻的特征。
只是阻碍电流能力的强弱而己。
如铜棒,木棒,水,空气。
任何物质都有其特定的电阴率,电阻率是描述一个物质单位截面积、单位长度所表现出來的电阻的人小的一个参最。
如铜的电阻率比铁的电阻率小,则铜比铁更容易导电,阻碍电流的能力也小。
四、欧姆定律
电流、电压和电阻三者之间的关系,称欧姆定律。
电流与电压成正比,与电阻成反比。
如果用I表示电流,U表示电压,R表示电阻,则
TU
IeR
其小电流I的单位足安培,简称安,用A表示:
还有亳安培,用mA表示,简称毫安:
以及微安培,用UA表示,简称微安。
1A=IOOOlnA:
1mA=1OOOUA:
另外,电压U的单位是伏特,简称伏,用V表示:
还有毫伏特,用mV表示,简称临伏:
以及微伏特,用UV表示,简称微伏。
IV=IOOOmV:
ImV=IOOOuV:
还有电阻R,单位是欧姆,简称欧,用Q表示;还有「欧姆,用KQ表示,简称『•欧:
以及兆欧姆,用MQ表示,简称兆欧。
IMD=IOooKΩ;IKQ=IooOQ
欧姆定律可以描述为IV的电压与10的电阻的比值就是IA的电流。
在电子技术领域,用到「安培、「伏特和亳欧姆等单位的比较少见。
第三讲电阻器的认识
导纟戈的电阻很小,如Im长度Imml的铜线器电阻不到OlQO而电子技术中仃时需要用到较人的电阻,那需要很长的导线,不但价格贵,安装也不方便。
所以人们设法用廉价物质通过刻槽的方法制造出电阻器,所需的阻值可以任意刻出來,批量造价不到1分钱,这就给使用电阻带来了方便。
制造出来的电阻器简称电阻。
1.电阴的符号和表示方法:
RI
〈1
1K2
Rl表示电阴的序号•,即这是图中的第1个电阻;12KQ表示这个电阻的阻值,也可简写为12K或IK2。
2.电阻的标称值
国际标准标称电阻采用E24系列,即把I-IoZ间的电阻分为不等份24份,如:
1,Ib1.2»1.3,15,1618,2∙222427.3,3.3.363943,4.7,5b5.6,62,68,75,8.2,9.1:
以及上述这些标称值乘以10的n次方,包括10的-1次方(0l~091),10的O次方(上述数字本身)•一直到10的6次方(IM~91M)o
3.电阻的色环表示
现代电子产品体枳较小,电阻上不能印刷文字来表示阻值,用一圈圈不同的颜色来表示,参见相关书籍。
4.电阻的串联
R总
R总=R1+R2=12K+1K2=13K2
12KΩ町以简写为12K,12KΩ可以简写为IK2。
串联电阻总的阻值为若干个电阻的和
问答题:
1)两个相同的电阻串联,总的阻值足?
2)
1个很人阻值的电阻和-•个很小阻值的电阻串联,总阻值由哪一个占主导?
5.电阻的并联
Rl120K
R21K2
并联电阻总阻值的倒数为各电阻倒数的和
1/R总=1∕R1+1∕R2=1∕12K+1/1K2
或并联电阻总的阻值为若干个电阻的乘枳除以若干个电阻的和。
问答题:
1)两个相同的电阻并联,总的阻值是?
2)
1个很人Hl值的电阻和一个很小阻值的电阻并联,总阻值由哪一个占主导?
课后对多设置些电阻串联、并联和混合联(本文从略)计算以加深卬彖。
120K1K2
R总
第四讲电容器
顾名思义,电容器就是盛电的容器,简称电容,他是由两块平行板相隔一定的距离,引出两根引线而形成的,根据平行板的面枳和间距决定这个电容器能盛多少的电,电就是电荷,电容器的大小在一定程度上(如保持一定的电压时)就是指能盛电荷量的多少。
电容器的大小与平行板的面积成正比,与平行板的距离成反比。
电容器的符号与他的定义很形彖,如卜•图,用CX来表示序号,卜方OluF指的是其容最值的大小。
Cl
0.1UF
电容器量纲的基本单位是法拉,简称法,用F表示,由于这个屋纲表达的电容很人,所以电子技术中不用法拉做单位,而是用微法拉作单位,或者用皮法拉做单位,一个微法拉是IO的-6次方法拉。
一个皮法拉是10的-6次方微法拉。
微法拉用UF表示,皮法拉用PF表示。
近年来,又相应推出了纳法拉(nF)和亳法拉(mF)做单位。
即:
IF=IOOomF
IF=IOOOOOOUF
IUF=IOOonF
IUF=IOOOOOOPF
电容器上的电荷足被慢慢的充电充进去的,一个特定容量的电容益,所充进云的电荷数目越多,其两端的电压就越高,但是不能高于该电容器额定的电压值,每一个电容器除了标注有电容量外,还标注有限制电压,称的压,普通小容量(IUF)的耐压往往在50V以上,且不分电压极性,可以两端对调使用;而大容量的(称电解电容)的耐压往往达到25V以上的,有电压极性的标注,使用时,我们不能接反。
IuF以上的人容最电容器往往是铝电解电容器,还有詛(tan)电解和铤(nι)电解电容器,后两种损耗低漏电小价格高。
一般我们见到的电解电容器都是铝电解电容器。
电容器上所加的电压如果超过限定值,就有爆炸的町能,电容量越人,爆炸的威力也人,使用时要小心。
电解电容器接反时,容最严重减小,耐压大大降低,损耗严重。
电解电容器的的符号比普通电容器多了个“正”号,仔“正”号的那边是正极,另一边是负极。
如下图。
C2
IOoUF∕63V
图中63V是限定电压,即耐压,指外电路只能加入比63V小一些的电压。
电容器的主要特性是能通过交流电,而阻挡住直流电。
电容器的容量越大,就越能通过频率高的交流电。
所谓交流电,是指人小能随时间交变变化的电源,也叫交流信号,每秒钟交变的次数称为交流电的频率,单位为赫兹(Hz),如IoOOHZ是指这个交流电信号每秒交变IOOo次。
第五讲信号
一、直流电源
1.直流电压源
典型的直流电源是干电池,还有各种蓄电池,町以用
El—1—1.5V
来表示,属于直流电源的一种•上面长横线是」F极,卜面短横线是负极,用E表示.右侧可注明电池的压,两个以上相同的电池串联称电池组。
还有町以从高压交流220V转换来的电源,广义的直流电压源符号为
直流电斥源用于向外提供电压能最.以便使各种电子电路正确的工作。
直流电压源在一定的条件下其两端的电压是相对稳定的。
任何电压源都有其自身内阻的特性,一般较小,所以往往在分析计算时被忽略。
2.直流电流源
直流电流源向外提供稳定的直流电流,其广义的符号为
所示。
我们认为,电流源的内阻一般较大,计算时其内阻往往被也忽略。
电压源和电流源Z间町以相互转换,町参考相关书籍,关于戴维南定理和诺顿定理章节。
二、交流电源
交流电源是指正负端随时间交裤变化的电源,一般我们按正弦规律变化的来分析。
本节未完待续
注:
上“图”太复杂,留着以后改版升级后再加,或抽空加。
给网站提难题了,勿怪
第五讲
(二)继续
二.交流电源
交流电源是指正负端随时间交替变化的电源,一股我匸按正弦规律变化的来分析•交流电源用符号
来表示,左边交流电压源,右边是交流电流源,与直流电压源和直流电流源相比,仅多画了个“~”符号;另外,序号山、门改为小写字母•一般电压源內较小时,与电压源串联即可省略;一般电流源内阻较大时,与电流源并联,也可省略•
直流电源与交流电源随时间变化的曲线是:
交流电压各种数值之间的关系表示:
峰峰值(Vi)=2幅值=2/7有效值。
正弦信号的三要素:
幅值、初相位、角频率•这个知识点谨参考有关书藉•此处不赘述•
0.5V直流电和0.5V河效值交流电如果接入相同的电阻,其电阻上产生的热量是柑同的。
文中,电压源内阻较小时,缺一个“阻”字
第六讲半导体的基础知识
物质导电能力的大小是用导体和绝缘体來表征的,导体的导电能力强,绝缘体的导电能力弱:
导电能力介于导体和绝缘体之间的物质,就称为半导体;
常见的半导体有硅(Si)和错(Ge),这是单质半导加:
还有化介物半导体神化缘(GaAS)和磷化稼(GaP);
当半导体受热、光、杂质的影响后,其导电能力急剧上升,这是和导体、绝缘体冇所不同的:
完全纯净的且胡格完整的(晶格,物质结构专有名词,这里不展开讲述)半导体称本征半导体:
本征半导体在绝对0°K(自然环境不存在)和无光照的情况卜S和绝缘体是相近的,是不导电的:
当掺入杂质后,导电能力才急剧上升。
但是达不到导体的程度;
常规情况F,半导体都是4价的。
即原子的瑕外层有4个电子。
受热或受光照后,其屮的个就会获得能量脱离原子核的束缚,自由运动,能够导电,称为口由电子,同时出现了个空位,称为空穴,空穴也是能导电的。
这叫做热激发:
当掺入杂质后,就破坏了原子结构,掺入5价元素,每个原子就多了一个电子,掺入3价元素,每个原子就少了一个电子即多出了一个空穴:
我们止是利用掺杂才将半导体制作成为对我们有用的物质■…杂质半导体:
当掺入3价硼(B)原子,每个原子周围就比半导体原子少了一个电子,对半导体整体來说,就出现了一个空位,称为空穴,这个空穴是带正电荷的。
含有空穴的半导体称P型半导体,空穴(带正电荷)也是能导电的,就像电影院里的一个空座位,人挨个往空座位方向移动时,空座位就从这一头移动到了另一头,所以说,空穴(带正电荷)也能导电;
当掺入5价磷(P)原子,每个原子周闱就比半导体原子多了一个电子,对半导体整体來说,就务出了一个电子。
这个电子不受原子核束缚,可以自由移动导电,称自由电子,自由电子是能导电的。
含有自由电子的半导体(这个自由电子与受光和热激发出來的口由电子不同,这个是多出来的,没有空穴与之对应)称为N型半导体;自由电子和空穴柑遇时,自由电子就町能呆在了空穴的位置,称为复合。
第七讲PN结的形成
关于上一讲,谈到的自由电子和空穴,我们可以都冠以“我流子”(承载能形成电流的粒子)这个名词。
N型半导体中,除了含有肉掺入5价元素(如P)杂质而产生的自由电子外,也有空穴,空穴是因为热激发而产生的“口由电子空穴对”中的空穴。
我们把N型半导体中的口由电子称为多数载流子,把N型半导体中的空穴称为少数载流子。
同样的
P型半导体中,除了含有因掺入3价元素(如B)杂质而产生的空穴外,也有自由电子,自由电子是因为热激发而产生的“自由电子空穴对”中的自由电子。
我们把P型半导体中的自由电子称为少数载流子,把P型半导体中的空穴称为多数载流子。
这一节讲卜PN结的形成
半导体中,PN结是形成二极管和三极管的最主要的成分,没有PN结,就没右半导体在当前现代社会中的广泛应用,包括CPUe
当把N型半导体和P型半导体有机的结合到一起,就形成了PN结。
注直:
,是有机的结介,而不是简单的拼凑。
所谓冇机的结合,是在制造过程中的整体形成,不是简单的挤压。
例如,一块N型半导体,本来是平均掺杂有P原子的,自由电子较空穴相比具多数,但是总数少,我们叫做“轻”掺杂,当我们在这块N型半导体的上表面的某一定的厚度范囤内,如2um,继续掺杂B原子,则掺杂到一定程度时这Zum范I制内的P和B原子的数目相等,这时自由电子和空穴数量相等并且互相复合,反而类似于本征半导体了(只剩FTW热激发而产生的少量电子空穴对),在此基础上,继续掺杂B原子,则空穴就多于自由电子了,彼改作了P型半导体了(重掺杂)。
在这个Am的交界处,一边是N型半导体,自由电子多空穴少;另一边是P型半导体,空穴多自由电子少,那这个Am的交界面就叫做PN结。
注意了,PN结仅仅是一个P型半导体和N型半导体的交界面而已!
这是所谓的用平面工艺所产生的PN结。
还有其他方法也能产生PN结,如合金法,此处不做描述。
正是这个PN结,给我们后来的电子技术的发展,带来的前所未有的、空前的机遇。
第八讲PN结机理
上一讲说,N型半导体和P型半导体冇机结合后,其交界面处就叫做PN结。
其交界而的情况会是什么样子的呢?
图示说明。
PN结a
OOoQOOoOOOOOOOOOOOOOQOoOQOOo
••••
••••
••••
••••
••••
•••■
••••
P型半导体∙N型半导体'
图中,左边是P型半导体,右边是N型半导体,P型半导体布满了空穴,N型半导体布满了自由电子。
物质具有从浓度高的向浓度低的方向扩展的能力,-•滴红墨水,滴入一杯清水中,红豊水就会向清水中渗透,这其实是扩散,最终,这滴红墨水均匀融入到清水中,形成均匀的淡红色的水。
空穴和自Ftl电子也貝有扩散的能力,左边空穴浓度高,右边空穴浓度低(右边的空穴图中没画,是由于热激发产生的,少最的,左边的自由电子也是一样,后面不在描述)。
则左边的空穴要越过PN结向右边扩散,右边的自由电子浓度高,左边自由电子浓度低,则右边的自由电子要越过PN结向左边扩散,两者在互柑扩散过程中I片相遇而复合(消失了),则PN结附近的两边自由电子和空穴都没有了。
PN结*
OOO
OOO
OOO
OOO
OOO
OOO
OOO
•••
•••
•••
•••
•••
•••
•••
P型半导倍4N型半导体.
这时.我们说■PN结具有一定的宽度。
PN结*
P型半导体’N型半导体.
这个空白区域有许多名称•都是可以的。
1)空间电荷区:
2)势垒区;3)耗尽层等。
实际上,空间电荷区并不是空的,确实是有电荷的,不过那不是空穴和自由电子,而是正离
子和负离子,哪儿來的?
N型一边掺入的P原子的是5价,核内有5个原子核带正电,和周甬四个电子(不是自由电子,自由电子已经因复合而耗尽)抵消,剩下一个正离子。
P型一边掺入的B原子的是3价,核内有3个原子核带正电,和周鬧四个电子(同上,不是自由电子,自由电子已经因复合而耗尽)抵消,还少一个正离子,即多了一个负离子。
因此,可以画做为:
则PN结由一条线变成了有一定宽度了。
注意这时耗尽区里面的正负离子间就产生了一定的电压(书上说叫电场,那就电场吧),称内建电场。
其右边正左边负。
电场方向是÷÷÷÷β
由于扩散、复合、耗尽(没了)需要时间(短的很),就此时而言,扩散、复合、耗尽的还很少,所以,空间电荷区很窄,正负离子数还很少,所以,内建电场的电压值还很小,该电场具有阻碍扩散的能力,但,暂时01碍的力屋还很小。
因此,左右的空穴和自由电子还要继续扩散,有互相扩散就会复合和耗尽,使空间电荷区越来越人,空间电荷数目越來越多,内建电场的电压越來越人,阻碍扩散的能力就越來越强。
但是,由于两边有少数载流子,这内建电场具有吸引对方少数裁流子的能力,我们称为❽漂移❾,又使得耗尽层变窄,正负离子数目变少,内建电场电斥减小。
反过来,又加快了扩散运动的进行,又⑤<5)。
扩散导致正负离子变多,内建电场加人,耗尽层变宽,阻碍扩散进行,加速漂移运动:
漂移导致正负离子变少,内建电场减弱,耗尽层变窄,阻碍漂移进行,加速扩散运动;
这样,扩散和漂移运动互相制约又互相交叉从而一刻不停,使得耗尽层宽度、
内建电场电压正负离子数最动态的维持在一定的量值上。
这被称为动态平衡。
有一点,内建电场在常温卜动态维持在约UlaX目令左右。
其宽度与掺杂轻重有关,其正负离子数量与这块&具结半导体的长宽高有关。
注意体会:
这里的❽动态平衡❾二字的含义。
第九讲PN结单向导电性
上回书说到,PN结内建电场的方向是从N端指向P端.动态平衡时大约0.65V左右,由于这个电场的存在会阻止載流子的扩散运动而加强漂移运动,并且最终达到动态平衡状态。
设想一卞:
当我们设法削弱该电场时•则載流子的扩散运动将能维持卜•去,并形成扩散电流。
反之:
为我们设法增强该电场时,则载流子的漂移运动将能维持卜去,并形成漂移电流。
削弱该电场的方法是在PN结外部加上一个与内建电场相反的电压回路:
增加该电场的方法是在PN结外部加上一个与内建电场相同的电压回路:
图示说明:
1:
正向导电
先研究下
外接一个与内建电场相反的电压,削丙了内建电场,加强了扩散运动,当外接电压较低,抵消量小,PN结宽度减小不多,虽然扩散运动人于漂移运动,但是扩散电流还很小。
但是,毕竟产生了电流。
和原来未加外接电压相比,虽然有内建电场,但达到动态平衡时足不产生电流的。
随着外加电压的逐渐增加,人犬加强了扩散运动,PN结宽度越来越窄,扩散电流逐渐加人。
我们把连接的这个外加电压正端接P型半导体,负端接N型半导体的情况称为PN结的正向电压(虽然与内建电场反向)。
其外加正向电压与PN结的扩散电流(里面右•一部分是相反的漂移电流)作为一个坐标的横轴和纵轴,采用描点法得到的曲线称为PN结的正向特性曲线,也叫PN结的伏安特性曲线。
见下图。
在没加外部电圧时(如图,即OV),电流也为0:
在外接电压很小时(如图,设为0.1V),产生的微小的电流,如IOPA(皮安培,
IOPA=OOlInA):
在外接电压较小时(如图,设为0.3V),产生的较小的电流,如IooPA
(IOOPA=O-ImA):
在外接电压较大时(如图,设为0.5V),产生的较大的电流,如2.5mA:
在外接电丿玉达到内建电圧时(如图,设为0.65V),产生的更大的电流,如IOnIA正向导电:
一旦外接电床超过内建电床,产生的电流将迅速加大,容易导致PN结因过电流从而过功耗而损坏。
2:
反向截止
外接一个与内建电场相同的电床,即P端接负N端接正,这叫反向连接,这时增加了内建电场,PN结宽度增大,阻止了扩散运动,加强了漂移运动。
当外接电压较低,增加量小,PN结宽度增大不多,但漂移运动大于扩散运动,漂移电流占主导地位,同样的,和没加外电压相比,毕竟产生了电流,虽然很小。
随着外加电压的逐渐增加,人大加强了漂移运动,PN结宽度越来越宽,漂移电流逐渐加人。
当外接电压加人到一定程度时,漂移电流不再増加,维持在一个稳定的电流值ho
这是为什么呢?
因为漂移电流是由少数敦流子的定向移动形成的,少数我流子又是哪里來的呢?
前文说到,少数我流了是由因热和光的激发而产生的电子空穴对中的其中之「忽略光的影响,少数载流子的数量完全由当前温度的高低决定,外加反向电压达到一定程度,所有少数载流子都参与了形成这个漂移电流•少数载流子的数最只要不增加.其电流就是定值不变。
十
我们把连接的这个外加电压正端接N型半导体,负端接P型半导体的情况称为PN结的反向向电压(虽然与内建电场同向)。
其外加反向电压与PN结的漂移电流作为一个坐标的横轴和纵轴,采用描点法得到的曲线称为PN结的反向特性曲线,也叫PN结的反向伏安特性曲线。
见下图。
在没加外部电圧时(如图,即OV),电流也为0:
在外接电压很小时(如图,设0.1V),产生的微小的电流,如1PA;
在外接电床较小时(如图,设为IV),产生的较小的电流,如IOOPA;
在外接电压较大时(如图,设2V),产生的电流却没有变大多少,如IolPA……反向截止;
在外接电压达到内建电压时(如图,设为10V),产生的电流还是没有变大多少,如102PA:
一旦外接电压超过某一数值(与具体的单个产品有关,如100V),产生的电流将迅速加大,这叫做PN结的击穿。
如果不采取措施,容易导致PN结击穿后因过电流从而过功耗而损坏。
正向导电反向截上叫做单向导电性,即PN结只有一个方向是导电的!
第十讲
PN结的参数及使用要点
在PN结生产线上测试时,用探针法,配介晶体管特性图示仪,可以II观的看到正向待性曲线和反向特性曲线。
经测试性能满足要求的才连接引线和封装。
当把PN结两个节点引出两根引线,并用塑料或玻璃封装起來,町作为成品出售,这就是传说中的晶体二极管,简称二极管。
实质上,他内部主要就是一个PN结。
标识及符号图
VD
左边三角形是PN结的阳极,也叫正极:
右边竖线是PN结的阴极,也叫负极。
二极管主要参数:
1正向整流电流IF这个电流就是前面描述的扩散电流,这个参数指二极管能够长期正常稳定工作时允许流过的最大电流。
有时二极管卜.流过的电流可能还超过IF电流,但是也不损坏,这是因为二极管在流过这么人电流后,产生的热量还没有促使其温度(PN结的结温)超过极限温度,接着外电路上的电压就撤销,PN结上电流就休止了(处于降温状态),U卩瞬间流过的电流允许超过IF,但接着必需让二极管处于截止状态。
2反向击穿电J-KU(BR)D指二极管负极接止」F极接负时能够承受的最人电压,二极管仍处于截止状态的极限电压,超过这个电压,二极管就不再截止了,变为反向导通了。
这种反向导通状态叫做PN结的击穿。
PN结的反向击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种,这里不仔细研究,町参阅相关书籍。
一般人于6V的为雪削击穿,小于4V的为齐纳击穿,在4V-6V范闱内的很难确定。
二极管反向电压超限并不一定损坏,只婆限制其反向电流不要过分的人,则二极管击穿后并不损坏,当反向电压减小到U(BR)D以内二极管还是可以恢复到截止状态的。
极端情况下,击穿后不限制电流导致耗散功率过大从而烧坏的情况是有的。
3最人耗散功率PD指二极管能长期正常工作时流过二极管卜•的电流利二极管两端的电斥的乘枳的故大值。
前而我们说二极管
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