02-第2章 逻辑门电路(97)

1、 逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用 的主要为的主要为集成逻辑门集成逻辑门。 介绍晶体管的开关特性介绍晶体管的开关特性 讨论讨论TTL和和CMOS门电路的构造和电气特性门电路的构造和电气特性 简要介绍其他类型的双极型和简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路门电路 第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路 半导体工作原理半导体工作原理 6/4/2021 砂石砂石砂子砂子99.9999999%99.9999999%级纯度级纯度 硅硅 硅棒硅棒 硅硅 片片 晶晶 圆圆 点石成金 从砂子到芯片 芯芯 片片 半导体器件是近代电子学的重要组成部分半导体

2、器件是近代电子学的重要组成部分 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功 率转换效率高等优点而得到广泛的应用。率转换效率高等优点而得到广泛的应用。 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体。，金属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和，如橡皮、陶瓷、塑料和 石英。石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为 半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物

3、、氧化物等。 半导体的电阻率为半导体的电阻率为10-3109 cm。 导体、绝缘体、半导体导体、绝缘体、半导体 现代电子学中，用的最多的半导体是硅现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si) 和锗和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四，它们的最外层电子（价电子）都是四 个。个。 GeSi 本征半导体本征半导体 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征本征 半导体半导体。 硅和锗的共价键结构 共价键 共用电子对 +4+4 +4+4 +4表示原子核 在硅和锗晶体中，原子

4、之间靠的很近，分属在硅和锗晶体中，原子之间靠的很近，分属 于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使于每个原子的价电子受到相邻原子的影响，而使 价电子为两个原子所共有，每个原子与其相邻的价电子为两个原子所共有，每个原子与其相邻的 原子之间形成原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束束 缚电子缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因，因 此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体

5、的导电能 力很弱。力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的 能量而脱离共价键的束缚，成为能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子(Free electron)， 同时共价键上留下一个空位，称为同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴(Empty hole)。 +

6、4+4 +4+4 自由电子 空穴 束缚电子 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，空穴吸在其它力的作用下，空穴吸 引邻近的电子来填补，这样引邻近的电子来填补，这样 的结果相当于空穴的迁移，的结果相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于正电荷而空穴的迁移相当于正电荷 的移动，因此可以认为空穴的移动，因此可以认为空穴 是载流子。是载流子。 本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。载流子的浓度。 温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半导体的导温度越高，载流子的浓度越高，因此本征半导体的导 电能力越强。电能力越强。温度温度是影响半导体性能的一个重要的外部因是影响半导体性能的一个

7、重要的外部因 素，这是半导体的一大特点。素，这是半导体的一大特点。 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体 的导电性能发生显著变化。的导电性能发生显著变化。 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导型半导 体体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称 为为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。 Negative Posi

8、tive +4+4 +5+4 多余电子 磷原子 N型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体 点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五五 个价电子个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定 多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成 为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。 +4+4

9、+3+4 空穴 硼原子 P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层 有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一 个空穴。个空穴。 杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法 P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 15 PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在

10、同一片半导体基片上，分别制造P型半导型半导 体和体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们型半导体，经过载流子的扩散，在它们 的交界面处就形成了的交界面处就形成了PN结。结。 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E 漂移运动 空间电荷区 PN结处载流子的运动 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区变宽。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 内电场越强，就

11、使漂 移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。 漂移运动 P型半导体 N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 所以扩散和漂移这一对相反 的运动最终达到平衡，相当 于两个区之间没有电荷运动， 空间电荷区的厚度固定不变。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷 区 N型区P型区 电位U U0 PN结正向偏置结正向偏置 + + + + 内电场 外电场 变薄 PN + _ 内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流

12、。 PN结的单向导电性结的单向导电性 21 PN结反向偏置结反向偏置 + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被加强， 多子的扩散受抑 制。少子漂移加 强，但少子数量 有限，只能形成 较小的反向电流。 下面以硅二极管为例下面以硅二极管为例 D (1) (1) 导通条件及导通时的特点导通条件及导通时的特点 ID(mA) VD VO 0.5 0 硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性 D + - Vi 0.7 R 电路图电路图 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 + - Vi 0.7 R VD 近似等近似等 效电路效电路 + - Vi 0.7 R K 简化等简化等 效电路效电

13、路 (2) (2) 截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点 D + - Vi0.5 R 电路图电路图 + - Vi ton 。 。 toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关, ,饱和饱和 程度越深程度越深, , toff 越长越长, ,反之则越短。反之则越短。 半导体三极管图片半导体三极管图片 管管JFET 型场效应管型场效应管MOSFET 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管 噪声噪声较大较大较小较小 温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点 输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几

14、十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上 静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响 集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成 N 基底基底 ：N型半导体型半导体 PP 两边是两边是P区区 G(栅极栅极) S源极源极 D漏极漏极 导电沟道导电沟道 N PP G(栅极栅极) S源极源极 D漏极漏极 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 D G S D G S P NN G(栅极栅极) S源极源极 D漏极漏极 P沟道结型场效应管沟道结型场效应管 D G S D G S 工作原理（以工作原理（以P沟道为例）沟道为例） UD

15、S=0V时时 P G S D UDS UGS NNNN IDPN结反偏，结反偏，UGS 越大则耗尽区越越大则耗尽区越 宽，导电沟道越宽，导电沟道越 窄。窄。 P G S D UDS UGS NN ID UDS=0V时时 NN UGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽， 沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。 但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽 区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导 电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于 线性电阻。线性电阻。 P G S D UDS UGS NN UDS=0时时 UGS达到一定值时达到一定值时 （夹断电压夹断电压VP）,耗耗 尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS 间

16、被夹断，间被夹断，这时，即这时，即 使使UDS 0V，漏极电漏极电 流流ID=0A。 ID P G S D UDS UGS UGS0、UGDVP时时 耗尽区的形状耗尽区的形状 NN 越靠近漏端，越靠近漏端，PN 结反压越大结反压越大 ID P G S D UDS UGS UGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP 时耗尽区的形状时耗尽区的形状 NN 沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻 特性，但是是非特性，但是是非 线性电阻。线性电阻。ID G S D UDS UGS UGSVp UGD=VP时时 NN 漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断， 称为称为予夹断。予夹断。 UDS增大则被夹断增大则被夹断 区

17、向下延伸。区向下延伸。 ID G S D UDS UGS UGS 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸 引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层； N型导电沟道型导电沟道 EG P型硅衬底型硅衬底 N+N+ G S D + UGS ED + N型导电沟道型导电沟道 当当UGS UGS(th (th）后，场 后，场 效应管才形成导电沟道，效应管才形成导电沟道， 开始导通，开始导通，若漏若漏源之间源之间 加上一定的电压加上一定的电压UDS，则，则 有漏极电流有漏极电流ID产生。在产生。在 一定的一定的UDS下下漏极电流漏极

18、电流ID 的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有有 关。所以，场效应管是关。所以，场效应管是 一种电压控制电流的器一种电压控制电流的器 件。件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变 为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th th）。 。 NMOS管开关近管开关近 似直流等效电路似直流等效电路 VDD RD RDS D G S (几百几百) 导通状态导通状态 VDD RD D G S 截止状态截止状态 (3) (3) 开关时间开关时间 MOS管本身的开关时间很小管本身的开关时间很小. .组成开关电路时组成开关电路时

19、, ,由由 于管子间的于管子间的寄生电容寄生电容和和布线电容布线电容的存在的存在, ,加上加上MOS管管 的输入、输出阻抗较大的输入、输出阻抗较大, ,使输入、输出电路的使输入、输出电路的充放电充放电 时间常数时间常数增加增加, ,影响了开关时间。影响了开关时间。 2.2.12.2.1 二极管门电路二极管门电路 1. 1. 二极管与门二极管与门 ViL=0.2V PN结正向导通电压为结正向导通电压为0.7V; 三极管电流放大倍数三极管电流放大倍数=20。 ( (一一) ) 输入中有输入中有低电平低电平 T1管发射结导通管发射结导通, ,T1管饱和。管饱和。 R4 R1 D1 F Vcc(5V)

20、 1.6k R2 4k 130 R3 1k D2 A B T1 T2 T4 T5 D3 0.2V 0.9V 1mA 0mA 0.3V 5V 3.6V 由于由于T2基极电压仅为基极电压仅为0.3V, , 故故T2、 T5均截止。均截止。 T T4 4、D D3 3导通导通, ,输出约为输出约为3.6V(5-3.6V(5- 0.7-0.7=3.6). 0.7-0.7=3.6). 输出输出高电平高电平1 1。 (2) (2) 工作原工作原 理理 ( (二二) ) 输入均为输入均为高电平高电平 T1管处于管处于倒置倒置工作状态工作状态 ( (be结反偏结反偏, ,bc结正偏结正偏.);.); R4 R

21、1 D1 F Vcc(5V) 1.6k R2 4k 130 R3 1k D2 A B T1 T2 T4 T5 D3 3.4V 2.1V 0.7mA 0.78mA 1.4V 1V 0.1V 3.4V (40A) (40A) 2.5mA 0.7mA 0.7V 2.6mA T2管处于管处于饱和饱和状态状态; ; T4管处于管处于截止截止状态状态; ; T5管处于管处于饱和饱和状态状态; ; F输出为输出为“0 0”。 综合上面两种情况综合上面两种情况, ,该电路实现该电路实现与非与非功能。功能。F=ABF=AB 电压传输特性是指电压传输特性是指输出电压输出电压VO随随输入电压输入电压VI的变化的变化

22、 规律。规律。 VO=f(VI) 1. 1. 特性曲线分析特性曲线分析 V0(V) VI(V) 3 2 1 0 0.51 1.5 截止区截止区, ,T5管截止管截止. . 线性区线性区, ,T5管截止管截止, ,T4管管 处于放大区处于放大区 ( (射极跟随输出射极跟随输出).). 转折区转折区, ,T2、T5由放大由放大 进入饱和进入饱和, ,T4进入截止进入截止. . 饱和区饱和区, ,T5管饱和管饱和. . VOH VOL VTH 2. 2. 主要参数主要参数 (1)(1)输出高电平输出高电平VOH, , 低电平低电平VOL。 2.3.22.3.2 TTL与非门的与非门的电压传输特性电压

23、传输特性 (2) (2) 阈值电压阈值电压VTH: :转折区中间点对应的输入电压转折区中间点对应的输入电压, ,约约 为为1.4V1.4V。 (3) (3) 输入端噪声容限输入端噪声容限 VNH、VNL 1输出输出 0输出输出 1输入输入 0输入输入 VOHmin VIHmin VNH VILmax VOLmax VNL VOVI 11 VOVI 具有不同输入、输出具有不同输入、输出结构结构的门电路的门电路 除与非门外除与非门外, ,TTL电路产品中还有各种功能的门电路产品中还有各种功能的门, , 如或非门、异或门等。如或非门、异或门等。 2.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 三态门三态门(Three-State Logic),(Three-State Logic),简称简称TSL门或三门或三 态门。三态门的输出有三个状态态门。三态门的输出有三个状态, ,即即: : 0 0, ,1 1和和高阻高阻, , 在使用中在使用中, ,由控制端由控制端( (称