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模擬電路基礎(chǔ)知識(shí)教程-展示頁(yè)

2025-07-07 20:27本頁(yè)面
  

【正文】 、PN結(jié)的擊穿特性 綜上所述,PN結(jié)正偏時(shí),正向電流較大,相當(dāng)于PN結(jié)導(dǎo)通,反偏時(shí),反向電流很小,相當(dāng)于PN結(jié)截止。值得注意的是,由于本征激發(fā)隨溫度的升高而加劇,導(dǎo)致電子一空穴對(duì)增多,因而反向電流將隨溫度的升高而成倍增長(zhǎng)。由于在常溫下,少數(shù)載流子的數(shù)量不多,故反向電流很小,而且當(dāng)外加電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí),它幾乎不隨外加電壓的變化而變化,因此反向電流又稱(chēng)為反向飽和電流。反向電壓產(chǎn)生的外加電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)的方向相同,使PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng),它把P區(qū)的多子(空穴)和N區(qū)的多子(自由電子)從PN結(jié)附近拉走,使PN結(jié)進(jìn)一步加寬, PN結(jié)的電阻增大,打破了PN結(jié)原來(lái)的平衡,在電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)大于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。而且IF 隨著正向電壓的增大而增大。于是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過(guò)了漂移運(yùn)動(dòng),擴(kuò)散又繼續(xù)進(jìn)行。同樣,P區(qū)的空穴也要向右邊擴(kuò)散,并與原來(lái)空間電荷區(qū)的負(fù)離子中和,使空間電荷區(qū)變窄。由于PN結(jié)是高阻區(qū),而P區(qū)和N區(qū)的電阻很小,所以正向電壓幾乎全部加在PN結(jié)兩端。PN結(jié)在未加外加電壓時(shí),擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)態(tài)平衡,通過(guò)PN結(jié)的電流為零。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦噪S著擴(kuò)散的進(jìn)行,空間電荷區(qū)加寬,內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng),由于內(nèi)電場(chǎng)的作用是阻礙多子擴(kuò)散,促使少子漂移,所以,當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),將形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū),稱(chēng)為PN結(jié)。因此,N區(qū)的電子必然越過(guò)界面向P區(qū)擴(kuò)散,并與P區(qū)界面附近的空穴復(fù)合而消失,在N區(qū)的一側(cè)留下了一層不能移動(dòng)的施主正離子;同樣,P區(qū)的空穴也越過(guò)界面向N區(qū)擴(kuò)散,與N區(qū)界面附近的電子復(fù)合而消失,在P區(qū)的一側(cè),留下一層不能移動(dòng)的受主負(fù)離子。在一塊完整的硅片上,用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體,另一邊形成P型半導(dǎo)體,那么在兩種半導(dǎo)體交界面附近就形成了PN結(jié),如圖Z0105所示。一、PN結(jié)的形成PN結(jié)在本征半導(dǎo)體中每摻入1個(gè)硼原子就可以提供1個(gè)空穴,當(dāng)摻入一定數(shù)量的硼原子時(shí),就可以使半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于本征激發(fā)電子的數(shù)目,成為多數(shù)載流于,而電子則成為少數(shù)載流子。同時(shí),鄰近共價(jià)鍵上出現(xiàn)1個(gè)空穴。由圖可知,硼原子的3個(gè)價(jià)電子分別與其鄰近的3個(gè)硅原子中的3個(gè)價(jià)電子組成完整的共價(jià)鍵,而與其相鄰的另1個(gè)硅原子的共價(jià)鍵中則缺少1個(gè)電子,出現(xiàn)了1個(gè)空穴。顯然,參與導(dǎo)電的主要是電子,故這種半導(dǎo)體稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體,簡(jiǎn)稱(chēng)N型半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中每摻入1個(gè)磷原子就可產(chǎn)生1個(gè)自由電子,而本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴的數(shù)目不變。失去電子的磷原子則成為不能移動(dòng)的正離子。如圖Z0103所示。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同,雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩種。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,熱穩(wěn)定性也很差,因此,不宜直接用它制造半導(dǎo)體器件。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性動(dòng)態(tài)平衡:在一定溫度條件下,產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)和復(fù)合的電子一空穴對(duì)數(shù)量相等時(shí),形成相對(duì)平衡,這種相對(duì)平衡屬于動(dòng)態(tài)平衡,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)電子一空穴對(duì)維持一定的數(shù)目。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動(dòng),把這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為空穴運(yùn)動(dòng),并把空穴看成是一種帶正點(diǎn)荷的載流子。當(dāng)空穴出現(xiàn)時(shí),相鄰原子的價(jià)電子比較容易離開(kāi)它所在的共價(jià)鍵而填補(bǔ)到這個(gè)空穴中來(lái)使該價(jià)電子原來(lái)所在共價(jià)鍵中出現(xiàn)一個(gè)新的空穴,這個(gè)空穴又可能被相鄰原子的價(jià)電子填補(bǔ),再出現(xiàn)新的空穴。本征鍺的電離能更小, eV。一般來(lái)說(shuō),共價(jià)鍵中的價(jià)電子不完全象絕緣體中價(jià)電子所受束縛那樣強(qiáng),如果能從外界獲得一定的能量(如光照、升溫、電磁場(chǎng)激發(fā)等),一些價(jià)電子就可能掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子。二、本征激發(fā)通常把原子核和內(nèi)層電子看作一個(gè)整體,稱(chēng)為慣性核,如圖Z0101所示。一、本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體鍺和硅都是四價(jià)元素,其原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖Z0102所示。所謂單晶,是指整塊晶體中的原子按一定規(guī)則整齊地排列著的晶體。半導(dǎo)體具有這種性能的根本原因在于半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)的特殊性。半導(dǎo)體之所以得到廣泛應(yīng)用,是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力受摻雜、溫度和光照的影響十分顯著。在這類(lèi)材料中,幾乎沒(méi)有自由電子,即使受外電場(chǎng)作用也不會(huì)形成電流,所以,絕緣體的電阻率很大,在以上。因而導(dǎo)體的電阻率很小,只有金屬一般為導(dǎo)體,如銅、鋁、銀等。自然界的各種物質(zhì)就其導(dǎo)電性能來(lái)說(shuō)、可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類(lèi)。n 01單元 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性PN結(jié)晶體二極管二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管的等效電路 與開(kāi)關(guān)特性穩(wěn)壓二極管 晶體三極管三極管的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、電流分配關(guān)系和放大作用三極管的特性曲線三極管的主要參數(shù)三極管的開(kāi)關(guān)特性 場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管特殊半導(dǎo)體器件發(fā)光二極管光敏二極管和光敏三極管02單元 基本放大電路基本放大電路的工作原理基本放大電路的組成直流通路與靜態(tài)工作點(diǎn)交流通路與放大原理放大電路的性能指標(biāo)放大電路的圖解分析法放大電路的靜態(tài)圖解分析放大電路的動(dòng)態(tài)圖解分析輸出電壓的最大幅度與非線性失真分析微變等效電路分析法晶體管的h參數(shù)晶體管的微變等效電路用微變等效電路法分析放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響工作點(diǎn)穩(wěn)定的電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析多級(jí)放大電路多級(jí)放大電路的級(jí)間耦合方式 多級(jí)放大電路的分析方法放大電路的頻率特性單級(jí)阻容耦合放大電路的頻率特性 多級(jí)阻容耦合放大電路的頻率特性 03單元 負(fù)反饋放大電路反饋的基本概念和分類(lèi)反饋的基本概念和一般表達(dá)式反饋放大電路的類(lèi)型與判斷負(fù)反饋放大電路基本類(lèi)型舉例電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響降低放大倍數(shù)提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性展寬通頻帶減小非線性失真改變輸入電阻和輸出電阻負(fù)反饋放大電路的分析方法深度負(fù)反饋放大電路的近似計(jì)算*方框圖法分析負(fù)反饋放大電路04單元 功率放大器功率放大電路的基本知識(shí)概述甲類(lèi)單管功率放大電路互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路OCL類(lèi)互補(bǔ)放大電路OTL甲乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路變壓器耦合推挽功率放大電路05單元 直接耦合放大電路概述直接耦合放大電路中的零點(diǎn)漂移基本差動(dòng)放大電路的分析基本差動(dòng)放大電路基本差動(dòng)放大電路抑制零點(diǎn)漂移的原理基本差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析基本差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)分析差動(dòng)放大電路的改進(jìn) 06單元 集成運(yùn)算放大器集成電路基礎(chǔ)知識(shí)集成電路的特點(diǎn)集成電路恒流源有源負(fù)載的基本概念集成運(yùn)放的典型電路及參數(shù)典型集成運(yùn)放F007電路簡(jiǎn)介集成運(yùn)放的主要技術(shù)參數(shù)集成運(yùn)放的應(yīng)用概 述運(yùn)放的基本連接方式集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用集成運(yùn)放在使用中應(yīng)注意的問(wèn)題07單元 直流電源整流電路半波整流電路全波整流電路橋式整流電路倍壓整流電路濾波電路電容濾波電路電感濾波電路復(fù)式濾波電路有源濾波電路穩(wěn)壓電路并聯(lián)型硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓原理帶有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)提高穩(wěn)壓電源性能的措施 08單元 正弦波振蕩電路自激振蕩原理自激振蕩的條件自激振蕩的建立和振幅的穩(wěn)定正弦波振蕩電路的組成LC正弦波振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路三點(diǎn)式LC振蕩電路三點(diǎn)式LC振蕩電路的構(gòu)成原則電感三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路克拉潑與席勒振蕩電路(改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路)石英晶體振蕩器石英晶體的基本特性和等效電路石英晶振:并聯(lián)型晶體振蕩電路石英晶振:串聯(lián)型晶體振蕩電路RC振蕩電路RC相移振蕩電路文氏電橋振蕩電路09單元 調(diào)制、解調(diào)和變頻調(diào)制方式調(diào)幅調(diào)幅原理調(diào)幅波的頻譜調(diào)幅波的功率調(diào)幅電路檢 波小信號(hào)平方律檢波大信號(hào)直線性檢波調(diào) 頻調(diào)頻的特點(diǎn)調(diào)頻波的表達(dá)式調(diào)頻電路:變?nèi)荻O管調(diào)頻電路調(diào)頻與調(diào)幅的比較鑒 頻對(duì)稱(chēng)式比例鑒頻電路不對(duì)稱(chēng)式比例鑒頻電路變 頻變頻原理變頻電路10單元 無(wú)線廣播與接受無(wú)線電廣播與接收無(wú)線電波的傳播 超外差收音機(jī)超外差收音機(jī)方框圖超外差收音機(jī)性能指標(biāo)LC諧振回路LC串聯(lián)諧振回路LC并聯(lián)諧振回路輸入回路統(tǒng) 調(diào)中頻放大電路自動(dòng)增益電路整機(jī)電路分析 半導(dǎo)體導(dǎo)電特性導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電特性,常溫下,其內(nèi)部存在著大量的自由電子,它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)形成較大的電流。絕緣體幾乎不導(dǎo)電,如橡膠、陶瓷、塑料等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間,如硅、鍺、硒等,它們的電阻率通常在之間。如純凈的半導(dǎo)體單晶硅在室溫下電阻率約為,若按百萬(wàn)分之一的比例摻入少量雜質(zhì)(如磷)后,其電阻率急劇下降為,幾乎降低了一百萬(wàn)倍。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性常用的半導(dǎo)體材料是單晶硅(Si)和單晶鍺(Ge)。非常純凈的單晶半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。它們的最外層都有4個(gè)電子,帶4個(gè)單位負(fù)電荷。慣性核帶有4個(gè)單位正電荷,最外層有4個(gè)價(jià)電子帶有4個(gè)單位負(fù)電荷,因此,整個(gè)原子為電中性。理論和實(shí)驗(yàn)表明:在常溫(T=300K)下,硅共價(jià)鍵中的價(jià)電子只要獲得大于電離能EG(= )的能量便可激發(fā)成為自由電子。當(dāng)共價(jià)鍵中的一個(gè)價(jià)電子受激發(fā)掙脫原子核的束縛成為自由電子的同時(shí),在共價(jià)鍵中便留下了一個(gè)空位子,稱(chēng)為空穴。價(jià)電子填補(bǔ)空穴的這種運(yùn)動(dòng)無(wú)論在形式上還是效果上都相當(dāng)于帶正電荷的空穴在運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)方向相反。 電子一空穴對(duì)本征激發(fā)復(fù)合:當(dāng)自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到空穴時(shí)可能會(huì)填充進(jìn)去從而恢復(fù)一個(gè)共價(jià)鍵,與此同時(shí)消失一個(gè)電子一空穴對(duì),這一相反過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合??梢?jiàn),在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子,而金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子,這也是半導(dǎo)體與導(dǎo)體導(dǎo)電方式的不同之處。半導(dǎo)體器件多數(shù)是用含有一定數(shù)量的某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體制成。一、N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中摻入微量的5價(jià)元素,例如磷,則磷原子就取代了硅晶體中少量的硅原子,占據(jù)晶格上的某些位置。由圖可見(jiàn),磷原子最外層有5個(gè)價(jià)電子,其中4個(gè)價(jià)電子分別與鄰近4個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),多余的1個(gè)價(jià)電子在共價(jià)鍵之外,只受到磷原子對(duì)它微弱的束縛,因此在室溫下,即可獲得掙脫束縛所需要的能量而成為自由電子,游離于晶格之間。磷原子由于可以釋放1個(gè)電子而被稱(chēng)為施主原子,又稱(chēng)施主雜質(zhì)。這樣,在摻入磷的半導(dǎo)體中,自由電子的數(shù)目就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了空穴數(shù)目,成為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)多子),空穴則為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱(chēng)少子)。二、P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中,若摻入微量的3價(jià)元素,如硼,這時(shí)硼原子就取代了晶體中的少量硅原子,占據(jù)晶格上的某些位置,如圖Z0104所示。這個(gè)空穴被附近硅原子中的價(jià)電子來(lái)填充后,使3價(jià)的硼原子獲得了1個(gè)電子而變成負(fù)離子。由于硼原子起著接受電子的作用,故稱(chēng)為受主原子,又稱(chēng)受主雜質(zhì)。顯然,參與導(dǎo)電的主要是空穴,故這種半導(dǎo)體稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體,簡(jiǎn)稱(chēng)P型半導(dǎo)體。由于P區(qū)的多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是電子;N區(qū)多數(shù)載流于是電子,少數(shù)載流子是空穴,這就使交界面兩側(cè)明顯地存在著兩種載流子的濃度差。擴(kuò)散的結(jié)果,使交界面兩側(cè)出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子組成的空間電荷區(qū),因而形成了一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng),稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)。由于空間電荷區(qū)內(nèi)缺少載流子,所以又稱(chēng)PN結(jié)為耗盡層或高阻區(qū)。當(dāng)電源正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū)時(shí),稱(chēng)為給pN結(jié)加正向電壓或正向偏置,如圖Z0106所示。在PN結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)外電場(chǎng),其方向與內(nèi)電場(chǎng)相反,在它的推動(dòng)下,N區(qū)的電子要向左邊擴(kuò)散,并與原來(lái)空間電荷區(qū)的正離子中和,使空間電荷區(qū)變窄。結(jié)果使內(nèi)電場(chǎng)減弱,破壞了PN結(jié)原有的動(dòng)態(tài)平衡。與此同時(shí),電源不斷向P區(qū)補(bǔ)充正電荷,向N區(qū)補(bǔ)充負(fù)電荷,結(jié)果在電路中形成了較大的正向電流IF。當(dāng)電源正極接N區(qū)、負(fù)極接P區(qū)時(shí),稱(chēng)為給PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。這時(shí)通過(guò)PN結(jié)的電流,主要是少子形成的漂移電流,稱(chēng)為反向電流 IR。當(dāng)反向電流可以忽略時(shí),就可認(rèn)為PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電流是造成電路噪聲的主,要原因之一,因此,在設(shè)計(jì)電路時(shí),必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。PN結(jié)出現(xiàn)擊穿時(shí)的反向電壓稱(chēng)為反向擊穿電壓,用VB表示。 1.雪崩擊穿當(dāng)反向電壓較高時(shí),結(jié)內(nèi)電場(chǎng)很強(qiáng),使得在結(jié)內(nèi)作漂移運(yùn)動(dòng)的少數(shù)載流子獲得很大的動(dòng)能。這些新的電子一空穴對(duì),又被強(qiáng)電場(chǎng)加速再去碰撞其它原子,產(chǎn)生更多的電子一空穴對(duì)。這種擊穿稱(chēng)為雪崩擊穿。2.齊納擊穿齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度很高的PN結(jié)內(nèi)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,會(huì)強(qiáng)行促使PN結(jié)內(nèi)原子的價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái),形成電子一空穴對(duì),從而產(chǎn)生大量的載流子。顯然,齊納擊穿的物理本質(zhì)是場(chǎng)致電離。而齊納擊穿電壓低于5V。晶體二極管二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性 晶體二極管也稱(chēng)半導(dǎo)體二極管,它是在PN結(jié)上加接觸電極、引線和管殼封裝而成
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