導讀: 二極管(Diode)算是半導體家族中的分立元器件中最簡單的一類,其最明顯的性質就是它的單向導電特性,就是說電流只能從一邊過去,卻不能從另一邊過來(從正極流向負極)。本文從二極管的分類、命名方法,到常用二極管的特點及選用。也是模擬電路基礎的,第一課內容。
一、基礎知識
1、二極管的分類
二極管的種類有很多,按照所用的半導體材料,可分為鍺二極管(Ge管)和硅二極管(Si管);按照管芯結構,又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。
根據二極管的不同用途,可分為檢波二極管、整流二極管、穩壓二極管、開關二極管、肖特基二極管、發光二極管等。
(注:上圖取自 采芯網)
2、二極管的型號命名方法
(1)按照國產半導體器件型號命名方法:二極管的型號命名由五個部分組成:主稱、材料與極性、類別、序號和規格號(同一類產品的檔次)。
(2)日本半導體器件命名型號由以下5部分組成:
第一部分:用數字表示半導體器件有效數目和類型;“1”表示二極管,“2”表示三極管。
第二部分:用“S”表示已在日本電子工業協會登記的半導體器件;
第三部分:用字母表示該器件使用材料、極性和類型;
第四部分:表示該器件在日本電子工業協會的登記號;
第五部分:表示同一型號的改進型產品。
3、幾種常見二極管特點
(1)整流二極管
將交流電源整流成為直流電流的二極管叫作整流二極管,因結電容大,故工作頻率低。
通常,IF 在 1 安以上的二極管采用金屬殼封裝,以利于散熱;IF 在 1 安以下的采用全塑料封裝。
(2)開關二極管
在脈沖數字電路中,用于接通和關斷電路的二極管叫開關二極管,其特點是反向恢復時間短,能滿足高頻和超高頻應用的需要。
開關二極管有接觸型,平面型和擴散臺面型幾種,一般 IF<500 毫安的硅開關二極管,多采用全密封環氧樹脂,陶瓷片狀封裝。
(3)穩壓二極管
穩壓二極管是由硅材料制成的面結合型晶體二極管,因為它能在電路中起穩壓作用,故稱為穩壓二極管。
它是利用 PN 結反向擊穿時的電壓基本上不隨電流的變化而變化的特點,來達到穩壓的目的。
(4)變容二極管
變容二極管是利用 PN 結的電容隨外加偏壓而變化這一特性制成的非線性電容元件,被廣泛地用于參量放大器,電子調諧及倍頻器等微波電路中。
變容二極管主要是通過結構設計及工藝等一系列途徑來突出電容與電壓的非線性關系,并提高 Q 值以適合應用。
(5)TVS二極管
TVS二極管(Transient Voltage Suppresser 瞬態電壓抑制器)是和被保護電路并聯的,當瞬態電壓超過電路的正常工作電壓時,二極管發生雪崩,為瞬態電流提供通路,使內部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。
由于 TVS 二極管的結面積較大,使得它具有泄放瞬態大電流的優點,具有理想的保護作用。
二、二極管的參數選擇
(1)額定正向工作電流
額定正向工作電流指二極管長期連續工作時允許通過的最大正向電流值。
(2)最大浪涌電流
最大浪涌電流,是允許流過的過量正向電流,它不是正常電流,而是瞬間電流。其值通常是額定正向工作電流的20倍左右。
(3)最高反向工作電壓
加在二極管兩端的反向工作電壓高到一定值時,管子將會擊穿,失去單向導電能力。為了保證使用安全,規定了最高反向工作電值。例如,lN4001二極管反向耐壓為50V,lN4007的反向耐壓為1000V。
(4)反向電流
反向電流是指二極管在規定的溫度和最高反向電壓作用下,流過二極管的反向電流。反向電流越小,管子的單方向導電性能越好。
反向電流與溫度密切相關,大約溫度每升高10℃,反向電流增大一倍。
硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩定性。
(5)反向恢復時間
從正向電壓變成反向電壓時,電流一般不能瞬時截止,要延遲一點點時間,這個時間就是反向恢復時間。它直接影響二極管的開關速度。
(6)最大功率
最大功率就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個極限參數對穩壓二極管等顯得特別。
(7)頻率特性
由于結電容的存在,當頻率高到某一程度時,容抗小到使 PN 結短路。導致二極管失去單向導電性,不能工作,PN 結面積越大,結電容也越大,越不能在高頻情況下工作。
2、不同二極管的選用
(1)檢波二極管
檢波二極管一般可選用點接觸型鍺二極管,選用時,應根據電路的具體要求來選擇工作頻率高、反向電流小、正向電流足夠大的檢波二極管。
(2)整流二極管
整流二極管一般為平面型硅二極管,用于各種電源整流電路中。選用整流二極管時,主要應考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復時間等參數。普通串聯穩壓電源電路中使用的整流二極管,對截止頻率的反向恢復時間要求不高,只要根據電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。
(3)穩壓二極管
穩壓二極管一般用在穩壓電源中作為基準電壓源或用在過電壓保護電路中作為保護二極管。選用的穩壓二極管,應滿足應用電路中主要參數的要求。穩壓二極管的穩定電壓值應與應用電路的基準電壓值相同,穩壓二極管的最大穩定電流應高于應用電路的最大負載電流50%左右。
(4)開關二極管
開關二極管主要應用于收錄機、電視機、影碟機等家用電器及電子設備有開關電路、檢波電路、高頻脈沖整流電路等。
中速開關電路和檢波電路,可以選用2AK系列普通開關二極管。高速開關電路可以選用RLS系列、1SS系列、1N系列、2CK系列的高速開關二極管。
要根據應用電路的主要參數(如正向電流、最高反向電壓、反向恢復時間等)來選擇開關二極管的具體型號。
(5)變容二極管
選用變容二極管時,應著重考慮其工作頻率、最高反向工作電壓、最大正向電流和零偏壓結電容等參數是否符合應用電路的要求,應選用結電容變化大、高Q值、反向漏電流小的變容二極管。
3、TVS二極管選型
(1)最小擊穿電壓VBR和擊穿電流I R 。VBR是TVS最小的擊穿電壓,在25℃時,低于這個電壓TVS是不會產生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(IR )時,加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓V BR 。按TVS的VBR與標準值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說,VWM =0.85VBR;對于10%的VBR來說,V WM =0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標準,TVS二極管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊,部份半導體廠商在自己的產品上使用了更高的抗沖擊標準。對于某些有特殊要求的可攜設備應用,設計者可以依需要挑選元件。
(2)最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM是二極管在正常狀態時可承受的電壓,此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓,否則二極管會不斷截止回路電壓;但它又需要盡量與被保護回路的正常工作電壓接近,這樣才不會在TVS工作以前使整個回路面對過壓威脅。當這個額定反向切斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向切斷狀態,流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ID。
(3)最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流I PP 。當持續時間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過TVS時,在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子,一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態提供的電壓,也就是在ESD沖擊狀態時通過TVS的電壓,它不能大于被保護回路的可承受極限電壓,否則元件面臨被損傷的危險。
(4)Pppm額定脈沖功率,這是基于最大截止電壓和此時的峰值脈沖電流。對于手持設備,一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在特定的最大鉗位電壓下,功耗PM越大,其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下,鉗位電壓VC越低,其突波電流的承受能力越大。另外,峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續時間和環境溫度有關。而且,TVS所能承受的瞬態脈沖是不重覆的,元件規定的脈沖重覆頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重覆性脈沖,應考慮脈沖功率的累積,有可能損壞TVS。
(5)電容器量C。電容器量C是由TVS雪崩結截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS管的電流承受能力成正比,C太大將使訊號衰減。因此,C是數據介面電路選用TVS的重要參數。電容器對于數據/訊號頻率越高的回路,二極管的電容器對電路的干擾越大,形成噪音或衰減訊號強度,因此需要根據回路的特性來決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應盡量小(如SAC(500W,50pF,±10%)、LCE(1.5KW,100pF)、低電容器TVS),而對電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。
4、肖特基二極管與普通二極管的區別
硅管的初始導通壓降是0.5V左右,正常導通壓降是0.7V左右,在接近極限電流情況下導通壓降是1V左右;
鍺管的初始導通壓降是0.2V左右,正常導通壓降是0.3V左右,在接近極限電流情況下導通壓降是0.4V左右,
肖特基二極管的初始導通壓降是0.4V左右,正常導通壓降是0.5V左右,在接近極限電流情況下導通壓降是0.8V左右。
兩種二極管都是單向導電,可用于整流場合。區別是普通硅二極管的耐壓可以做得較高,但是它的恢復速度低,只能用在低頻的整流上,如果是高頻的就會因為無法快速恢復而發生反向漏電,最后導致管子嚴重發熱燒毀;肖特基二極管的耐壓能常較低,但是它的恢復速度快,可以用在高頻場合,故開關電源采用此種二極管作為整流輸出用,盡管如此,開關電源上的整流管溫度還是很高的。
快恢復二極管是指反向恢復時間很短的二極管(5us以下),工藝上多采用摻金措施,結構上有采用PN結型結構,有的采用改進的PIN結構。其正向壓降高于普通二極管(1-2V),反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復和超快恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長,后者則在100納秒以下。肖特基二極管是以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管,簡稱肖特基二極管(Schottky Barrier Diode),具有正向壓降低(0.4--0.5V)、反向恢復時間很短(10-40納秒),而且反向漏電流較大,耐壓低,一般低于150V,多用于低電壓場合。這兩種管子通常用于開關電源。肖特基二極管和快恢復二極管區別:前者的恢復時間比后者小一百倍左右,前者的反向恢復時間大約為幾納秒~! 前者的優點還有低功耗,大電流,超高速~!電氣特性當然都是二極管阿~!快恢復二極管在制造工藝上采用摻金,單純的擴散等工藝,可獲得較高的開關速度,同時也能得到較高的耐壓.目前快恢復二極管主要應用在逆變電源中做整流元件。
4、肖特基二極管與快恢復二極管的區別
肖特基二極管:
反向耐壓值較低(一般小于150V),通態壓降0.3-0.6V,小于10nS的反向恢復時間。它是有肖特基特性的“金屬半導體結”的二極管。其正向起始電壓較低。
其金屬層除材料外,還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導體材料采用硅或砷化鎵,多為N型半導體。這種器件是由多數載流子導電的,所以,其反向飽和電流較以少數載流子導電的
PN結大得多。由于肖特基二極管中少數載流子的存貯效應甚微,所以其頻率響僅為RC時間常數限制,因而,它是高頻和快速開關的理想器件。其工作頻率可達100GHz。并且,MIS(金屬-絕緣體-半導體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發光二極管。
快恢復二極管:有0.8-1.1V的正向導通壓降,35-85nS的反向恢復時間,在導通和截止之間迅速轉換,提高了器件的使用頻率并改善了波形。快恢復二極管在制造工藝上采用摻金,單純的
擴散等工藝,可獲得較高的開關速度,同時也能得到較高的耐壓.
目前快恢復二極管主要應用在逆變電源中做整流元件.
快恢復二極管FRD(Fast Recovery Diode)是近年來問世的新型半導體器件,具有開關特性好,反向恢復時間短、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點。超快恢復二極管SRD(Superfast Recovery Diode),則是在快恢復二極管基礎上發展而成的,其反向恢復時間trr值已接近于肖特基二極管的指標。它們可廣泛用于開關電源、脈寬調制器(PWM)、不間斷電源(UPS)、交流電動機變頻調速(VVVF)、高頻加熱等裝置中,作高頻、大電流的續流二極管或整流管,是極有發展前途的電力、電子半導體器件。
肖特基二極管:反向耐壓值較低(一般小于 150V),通態壓降 0.3-0.6V,小于 10nS 的反向恢復 時間。它是有肖特基特性的“金屬半導體結”的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外, 還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導體材料采用硅或砷化鎵,多為 N 型半導體。這種器件是由多數載流子導電的,所以,其反向飽和電流較以少數載流子導電的 PN 結大得多。由于肖特基二極管中少數載流子的存貯效應甚微,所以其頻率響僅為 RC 時間常數限制,因而,它是高頻和快速開關的理想器件。其工作頻率可達 100GHz。并且,MIS(金屬-絕緣體-半導體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發光二極管。
快恢復二極管:有 0.8-1.1V 的正向導通壓降,35-85nS 的反向恢復時間,在導通和截止之間 迅速轉換,提高了器件的使用頻率并改善了波形??旎謴投O管在制造工藝上采用摻金,單純的 擴散等工藝,可獲得較高的開關速度,同時也能得到較高的耐壓.目前快恢復二極管主要應用在逆 變電源中做整流元件. 快恢復二極管 FRD(Fast Recovery Diode)是近年來問世的新型半導體器件,具有開關特性 好,反向恢復時間短、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點。超快恢復二極管 SRD(Superfast Recovery Diode),則是在快恢復二極管基礎上發展而成的,其反向恢復時間 trr 值已接近于肖特 基二極管的指標。它們可廣泛用于開關電源、脈寬調制器(PWM)、不間斷電源(UPS)、交流 電動機變頻調速(VVVF)、高頻加熱等裝置中,作高頻、大電流的續流二極管或整流管,是極 有發展前途的電力、電子半導體器件。
5、TVS二極管與ESD防護二極管的區別
TVS瞬態電壓抑制
這里不論TV是如何產生的,比如直接或者間接的雷擊,靜電放電,大容量的負載投切等因素導致的浪涌.電壓從幾伏到幾十千伏甚至更高.
ESD靜電放電保護
其中主要應用是HBM 和 MM,簡單說,就是人或者設備對器件放電(靜電),但是器件不能損壞.
典型的HBM CLASS 1C模型規定一個充電1000V-2000V的100pF的電容通過一個1500歐姆的電阻對器件放電.
MM模型要比人體模型能量大一些.電容是200pF,電壓大概在200-400之間,不過沒有串聯電阻了.
典型的人體模型放電,峰值電流小于0.75A,時間150ns
典型的機器模型放電,峰值電流小于8A,時間5ns
典型的雷擊浪涌(電力線入線處使用的TVS)峰值電流3000A,時間20us
TVS二極管和ESD防護二極管原理是一樣的,但根據功率和封裝來分就不一樣.
ESD防護二極管和TVS比較的話,要看用在那些用途上,像ESD主要是用來防靜電,防靜電就要求電容值低,一般是1--3.5PF之間為最好.而TVS就做不到這一點,TVS的電容值比較高。
選型關鍵要素
1、正向導通壓降
壓降:二極管的電流流過負載以后相對于同一參考點的電勢(電位)變化稱為電壓降,簡稱壓降。
導通壓降:二極管開始導通時對應的電壓。
正向特性:在二極管外加正向電壓時,在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結內電場的阻擋作用,正向電流幾乎為零。當正向電壓大到足以克服PN結電場時,二極管正向導通,電流隨電壓增大而迅速上升。
反向特性:外加反向電壓不超過一定范圍時,通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止狀態。反向電壓增大到一定程度后,二極管反向擊穿。
正向導通壓降與導通電流的關系
在二極管兩端加正向偏置電壓時,其內部電場區域變窄,可以有較大的正向擴散電流通過PN結。只有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱為“門檻電壓”,鍺管約為0.2V,硅管約為0.6V)以后,二極管才能真正導通。但二極管的導通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴散電流又存在什么樣的關系?通過下圖1的測試電路在常溫下對型號為SM360A的二極管進行導通電流與導通壓降的關系測試,可得到如圖2所示的曲線關系:正向導通壓降與導通電流成正比,其浮動壓差為0.2V。從輕載導通電流到額定導通電流的壓差雖僅為0.2V,但對于功率二極管來說它不僅影響效率也影響二極管的溫升,所以在價格條件允許下,盡量選擇導通壓降小、額定工作電流較實際電流高一倍的二極管。
圖1 二極管導通壓降測試電路
圖2 導通壓降與導通電流關系
正向導通壓降與環境的溫度的關系
在我們開發產品的過程中,高低溫環境對電子元器件的影響才是產品穩定工作的最大障礙。環境溫度對絕大部分電子元器件的影響無疑是巨大的,二極管當然也不例外,在高低溫環境下通過對SM360A的實測數據表1與圖3的關系曲線可知道:二極管的導通壓降與環境溫度成反比。在環境溫度為-45℃時雖導通壓降最大,卻不影響二極管的穩定性,但在環境溫度為75℃時,外殼溫度卻已超過了數據手冊給出的125℃,則該二極管在75℃時就必須降額使用。這也是為什么開關電源在某一個高溫點需要降額使用的因素之一。
表 1 導通壓降與導通電流測試數據
圖3 導通壓降與環境溫度關系曲線
2、額定電流、最大正向電流IF
額定電流IF指二極管長期運行時,根據運行溫升折算出來的平均電流值。目前最大功率整流二極管的IF值可達1000A。
是指二極管長期連續工作時,允許通過的最大正向平均電流值,其值與PN結面積及外部散熱條件等有關。因為電流通過管子時會使管芯發熱,溫度上升,溫度超過容許限度(硅管為141左右,鍺管為90左右)時,就會使管芯過熱而損壞。所以在規定散熱條件下,二極管使用中不要超過二極管最大整流電流值。例如,常用的IN4001-4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。
3、 最大平均整流電流Io
最大平均整流電流IO:在半波整流電路中,流過負載電阻的平均整流電流的最大值。折算設計時非常重要的值。
4、最大浪涌電流IFSM
運行流過的過量的正向電流。不是正常的電流,而是瞬間電流,這個值相當大。
5、最大反向峰值電壓VRM
即使沒有反向電流,只要不斷地提高反向電壓,遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓,不是瞬時電壓,而是反復加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓,它的最大值是規定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達幾千伏。
6、 最大反向電壓VR
上述最大反向峰值電壓是反復加上的峰值電壓,VR是連續加直流電壓的值。用于直流電流,最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。
7、最高工作頻率fM
由于PN結的結電容存在,當工作頻率超過某一值時,它的單向導電性將變差。點接觸式二極管的fM值較高,在100MHz以上;整流二極管的fM較低,一般不高于幾千Hz。
8、 反向恢復時間Trr
當正向工作電壓從正向電壓變成反向電壓時,二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上,一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量,就是反向恢復時間。
9、 最大功率P
二極管中有電流流過,就會吸熱,而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加載二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個極限參數對穩壓二極管,可變電阻二極管顯得特別重要。
10、 反向飽和漏電流IR
指在二極管兩端加入反向電壓時,流過二極管的電流,該電流與半導體材料和溫度有關。在常溫下,硅管的IR為nA(10-9A)級,鍺管的IR為mA(10-6A)級
11、降額(結溫降額)
降額可以提高產品可靠性,延長使用壽命,根據溫度降低10℃壽命增加一倍的理論,下面列出了不同額定結溫的管子最小降額結溫數據。
表1 二極管降額
額定值TjM125℃150℃175℃200℃
降額后可使用的TjM110℃135℃160℃185℃
12、安規
在選型階段應該考慮到器件是否通過了安規認證,主要應該考慮功率器件。一般為各國廣泛接受的安規認證類型有UL(北美)、CSA(加拿大)、TUV(德國)、VDE等
13、可靠性設計
正確選用器件及器件周邊的線路設計、機械設計和熱設計等來控制器件在整機中的工作條件,防止各種不適當的應力或者操作給器件帶來損傷,從而最大限度地發揮器件的固有可靠性。
14、容差設計
設計單板時,應放寬器件的參數允許變化的范圍(包括制造容差、溫度漂移、時間漂移),以保證器件的參數在一定范圍內變化時,單板能正常工作。
15、禁止選用封裝
禁止選用軸向插裝的二極管封裝、禁止選用Open-junction二極管。
O/J是OPEN JUNCTION的晶圓擴散工藝,在晶圓擴散后切片成晶粒,晶粒的邊緣是粗糙的,電性能不穩定,需要用混合酸(主要成分為氫氟酸)洗掉邊緣,然后包以硅膠并封裝成型,可信賴性較差。
GPP是Glassivation passivation parts的縮寫,是玻璃鈍化類器件的統稱,該產品就是在現有產品普通硅整流擴散片的基礎上對擬分割的管芯P/N結面四周燒制一層玻璃,玻璃與單晶硅有很好的結合特性,使P/N結獲得最佳的保護,免受外界環境的侵擾,提高器件的穩定性,可信賴性極佳。
O/J的散熱性沒有GPP的好,兩者本質結構截然不同:O/J芯片需要經過酸洗后加銅片焊接配合硅膠封裝,內部結構上顯得比GPP的大;GPP芯片造的整流橋免去了酸洗、上硅膠等步驟,直接與整流橋的銅連接片焊接。內部結構顯的比O/J芯片制造而成的小。才造成直觀的、習慣性的誤解。
GPP芯片和OJ芯片的綜合評價
1、GPP芯片在wafer階段即完成玻璃鈍化,并可實施VR的probe testing,而OJ芯片只有在制得成品后測試VR。
2、VRM為1000V的GPP芯片,通常從P+面開槽和進行玻璃鈍化,臺面呈負斜角結構(表面電場強度高于體內),而OJ芯片的切割不存在斜角。
3、GPP芯片的玻璃鈍化分布在pn結部分區域(不像GPRC芯片對整個斷面實施玻璃鈍化,而OJ芯片對整個斷面施加硅橡膠保護。
4、GPP芯片由于機械切割的原因留下切割損傷層,而OJ芯片的切割損傷層可經化學腐蝕去除掉。
5、GPP芯片采用特殊高溫熔融無機玻璃膜鈍化,Tjm及HTIR穩定性高于用有機硅橡膠保護的OJ制品。
6、GPP芯片適合小型化、薄型化、LLP封裝,而OJ芯片適合引出線封裝。
在制作工藝上的區別。
(1)OJ的芯片必須經過焊接、酸洗、鈍化、上白膠、成型固化烘烤等步驟,其電性(反向電壓)與封裝酸洗工藝密切相關,常規封裝形式為插件式
(2)而GPP在芯片片制造工藝中已包含酸洗、鈍化。其電性由芯片片直接決定。常見封狀形式為貼片式
審核編輯:湯梓紅
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