数字逻辑-基本逻辑器件

1、2022-2-181 本章将简要介绍晶体管和MOS管的特性，以及典型TTL集成逻辑门电路和MOS集成门电路。第11章 逻辑器件2022-2-182 半导体的预备知识 本征半导体的性质 纯净的不含杂质的晶格排列整齐的半导体叫做本征半导体。自然界中的4价元素硅和锗在一定的工艺条件下能被提炼成单晶硅和单晶锗晶体。它们都是本征半导体。在单晶硅中，每一个硅原子外层的4粒电子和4周的4个硅原子形成4个共价键，见后页图示：2022-2-183Si+4共价键+4+4+4SiSiSiSi+4 本征半导体晶体结构的示意图，每一个硅原子和周围的4个硅原子组成4个共价键。2022-2-184Si+4+4+4+4SiS

2、iSiSi+4电子空穴本征半导体受热激发或光照射后，少量的共价键电子会跳出共价键束缚，成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位子，电子和空穴的数目是相等的。电子，空穴对2022-2-185在本征半导体中，自由电子和空穴的数量是非常少的，因此基本上是绝缘体，但是电子和空穴的数量总是一样多的，本征半导体是电中性的。2022-2-186P、N型半导体和PN结 为了增加晶体的导电能力，应该增加晶体中导电粒子的数目，如何才能增加晶体中电子和空穴的数量呢？利用一定的工艺，在纯净的本征半导体中，加入3价的砷或者5价的磷就可以分别增加空穴和电子，从而制造出P型和N型半导体，请见下图：2022-2-187Si+

3、4+4+4+4SiSiSiSn+3空穴将+3价的砷加入单晶硅中，形成P型半导体的示意图，此时，空穴的数目大大增加。注意对于P型半导体，它也是电中性的。P型半导体2022-2-188Si+4+4+4+4SiSiSiP+5电子将+5价的磷加入单晶硅中，形成N型半导体的示意图，此时，电子的数目大大增加。注意对于N型半导体，它也是电中性的。N型半导体2022-2-189问题：将一块P型半导体和一块N型半导体组成一块混合半导体会有什么性质呢？2022-2-1810内电场方向2022-2-1811外电场内电场外电场内电场加反压加正压2022-2-1812 当加反压时，外加电场和内部电场方向相同，空间电荷区

4、加宽，不利于多子的扩散，于是总的电流减少。 当加正压时，外加电场和内部电场方向相反，使势垒减弱，空间电荷区减窄，于是总的电流增加。2022-2-1813晶体二极管及开关特性2022-2-1814二极管理想伏安特性二极管实际伏安特性二极管的静态特性理想的二极管相当于一个开关。实际的情况是当输入正向信号大于0.7伏后，它才导通；而当输入反向信号后，它又存在反向漏电流，所以只是一个近似开关。问题：二极管是否有压降？ 0.7V2022-2-1815双极型三极管2022-2-1816双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor）具有截止、导通和放大三种工作状态。当基极电压高于某一

5、个阈值电压时，两个PN结都导通，处于导通工作状态。当基极电压低于某一个阈值电压时，两个PN结截止，工作在截止状态。当基极电压处于导通和截止电压之间时，处于放大工作状态，这时具有电流放大作用，被广泛应用作模拟电路的放大器。2022-2-1817静态特性 晶体三极管在截止、饱和这两种稳定状态下的特性称为三极管的静态特性。 当基极加反向电压时，晶体三极管工作在截止区，UCE很大，约等于UCC ，IC0，三极管呈高阻，近似于开路，相当与开关打开。 当基极加正向电压时，基极电流IBIBSUCC/RC，晶体三极管工作在饱和区，UCE很小，约等于03V，IC很大，ICUCC/RC，三极管呈低阻，近似于短路，

6、相当于开关闭合。2022-2-1818动态特性tU i晶体三极管在截止状态和饱和状态之间转换时所具有的过渡特性被称为三极管的动态特性。假设在三极管的基极加上一个理想的矩形波，但是集电极电流ic和集电极电压uce的波形却不是理想的矩形波，它们的上升沿和下降沿变化缓慢，并且上升部分和下降部分与输入波形相比都有延迟icuce2022-2-1819晶体三极管反相器(非门)UCC(6V)RC1KuouiR15.1KR239K-UBB(-6V)F=A2022-2-1820采用加速电容RC1KuoR1IBR2-UBBCIR1UCCUiCoRCuoR1R2-UBBUiUCC (+12V)CoUQ(+5.3V)

7、VQ采用钳位电路2022-2-1821F=ABC2022-2-1822用此集成块能否实现F=ABC2022-2-1823注意事项： （实验注意）1.TTL与非门的输出端不允许和另外的TTL与非门的输出端相连，否则损坏，从逻辑上看不允许几个TTL与非门再进行与的功能，也可以说不允许线与；2. TTL与非门不用的输入端不允许悬空，应接高电平；2022-2-1824集电极开路门 集电极开路门简称OC门，输出端可以连在一起，外接负载电阻RL实行逻辑线与，弥补了TTL与非门不能线与的缺点。F=ABF=FAFB=A1A2 B1B22022-2-1825三态门三态门三态门有三个输出状态：1状态、 0状态和高

8、阻状态。特点：输出端可以连在一起，实现逻辑或。F=E AB2022-2-1826F=F1+F2=E1 A1 B1+E2 A2 B22022-2-1827但是必须注意：在同一个时间内，只能允许一个三态门处于工作状态，而其它三态门均处于高阻状态，形式上构成一种有限制的线或连接。用途：构成总线BUS。可以将许多三态门连接到总线上，条件是它们可以轮流占有总线、轮流工作。当某个三态门占有总线时，其它三态门必须处于高阻，即三态状态，只有当该三态门退出占有状态，恢复高阻后，其它的任一个三态门才被允许占有该总线。计算机的三总线：数据总线(data bus)、控制总线(control bus)、地址总线(add

9、ress bus)都是使用三态门构成的。2022-2-1828MOS集成门电路 MOS电路是以金属氧化物半导体场效应管为基础的集成电路，属于单极型电路。当前使用的主要有三类：1.P沟道增强型构成的PMOS管；2.N沟道增强型构成的NMOS管；3.采用PMOS和NMOS两种互补管构成的CMOS电路。 MOS型集成电路具有功耗低、扇出系数大、噪声低、工艺简单、集成度高的特点，但是速度却不如TTL电路。所以两种类型的集成电路根据性能需求都有各自的用处，也都在集成电路领域内得到了广泛应用。2022-2-1829MOS晶体管MOS管有三个电极：源极S、漏极 D和栅极G。它是电压控制元件，用变化栅极电压来控制漏极电流。2022-2-1830UDDUiU0SGDMOS反相器（非门）RDUO=Ui2022-2-1831UDDUiU0V2V1饱和型负载NMOS反相器UDDUiU0V2V1UGG非饱和型负载NMOS反相器2022-2-1832V1UDDUiU0V2CMOS反相器SP沟道增强型DSN沟道增强型CMOS电路的功耗极小，所以具有较强的带负载能力，扇出系数可达50。工作速度较高，具有较高的抗干扰能力，在数字集成电路中得到愈来愈广泛的应用。2022-2-1833FUDDAV3V2BV1负载管