清华半导体基础知识《数字电子技术基本教程》教学

《数字电子技术基本教程》教学课件

清华大学

王红陈莉平阎石联系地址：清华大学自动化系邮政编码：100084电子信箱：wang_hong@联系电话：(010)62792973补：半导体基础知识半导体基础知识（1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅Si，锗Ge两种载流子半导体基础知识（2）杂质半导体N型半导体多子：自由电子少子：空穴半导体基础知识（2）杂质半导体P型半导体多子：空穴少子：自由电子半导体基础知识（3）PN结的形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加正向电压半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加反向电压半导体基础知识（5）PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷第三章逻辑门3.1MOS管的开关特性S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底1.N沟道增强型MOS管的结构和符号PN结半导体层SiO2绝缘层N沟道增强型MOS管的开关状态(1)VIL=0时，D-S间不导通，MOS管截止，ROFF>106Ω，开关断开(2)加上足够高的+VIH，且>VT,D-S间形成n型导电沟道，MOS管导通，ROFF<1KΩ，开关接通D-S间相当于是一个受VI控制的开关开启电压S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底2.P沟道增强型MOS管的结构和符号P沟道增强型MOS管的开关状态(1)VIH=VDD时，

VGS=0，S-D间不导通，MOS管截止(2)VIL=0时，VGS=－VDD，且VDD>|VT|，S-D间形成p型导电沟道，MOS管导通S-D之间也构成一个受VI控制的开关。3.N沟道耗尽型和P沟道耗尽型

区别：耗尽型MOS管在VGS=0时就已经有导电沟道存在3.2CMOS门电路3.2.1CMOS反相器和传输门1.CMOS反相器(1)电路结构(2)开关等效电路设定：VDD=+5V，VIH=5V，VIL=0V，且VDD>|VTN|+|VTP|

当VIL=0时，T1的VGS=0，T1截止；T2的VGS=-VDD，T2导通；故VOH=VDD。当VIH=VDD时，T2的VGS=0，T2截止；T1的VGS=VDD，T1导通；故VOL=0。(3)电压、电流传输特性2.CMOS传输门开关状态由加在P和N的控制信号决定。当P=0V，N=VDD时，两个MOS管均导通，A-B接通。当P=VDD，N=0V时，两个MOS管均截止，A-B断开。3.2.2CMOS与非门、或非门和异或门1.与非门2.或非门3.异或门4.异或非门工作原理与异或门类似5.与门、或门和同相缓冲器由反相器、传输门、与非门、或非门可以组成其他逻辑功能的门电路或逻辑电路。

与非门+反相器或非门+反相器反相器+反相器6.输入、输出端有反相器的或非门和与非门通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参数的反相器。3.2.3三态输出和漏极开路输出的CMOS门电路

1.三态输出的门电路三态门的用途：总线连接2.漏极开路输出的门电路(1)输出并联使用，实现线与运算(2)需要在输出端与电源之间外接上拉电阻RP(1)输出并联使用，实现线与运算(2)使用时在输出端与电源之间外接上拉电阻RPRP的计算方法

将n个OD门接成“线与”结构，并考虑存在负载电流IL的情况下，电路如图所示漏极开路输出的CMOS门电路的用途：接成总线结构3.2.4CMOS电路的静电防护和锁定效应1.静电防护为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输入端都设置了输入保护电路。2.锁定效应当CMOS电路的输入端或输出端出现瞬时高压时，有可能使电路进入这样一种状态，即电源至电路公共端之间有很大的电流流过，输入端也失去了控制作用。通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下不会发生，但还不能绝对避免。3.2.5CMOS电路的电气特性和参数1.直流电气特性和参数也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电压、电流特性，通常用一系列电气参数来描述。(1)输入高电平VIH和输入低电平VILVDD为+5V时，74HC系列集成电路的VIH(max)约为3.5V，

VIL(max)约为1.5V。(2)输出高电平VOH和输出低电平VOL

VDD为+5V时，

74HC系列集成电路的VOH(min)为4.4V（当输出端流出的负载电流为－4mA时），VOL(max)为0.33V（当流入输出端的负载电流为4mA时）。(3)噪声容限VNH和VNL

VNH＝VOH(min)－VIH(min)

＝4.3－3.5＝0.8V

VNL＝VIL(max)－VOL(max)

＝1.5－0.33＝1.17V(4)高电平输入电流IIH和低电平输入电流IILIIH(max)和IIL(max)通常在1μA以下。(5)高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL

74HC系列电路中，当VDD＝5V时，RON(N)不大于50Ω，而RON(N)在100Ω以内；高电平输出电流IOH为-4mA；低电平输出电流IOL为4mA。2.开关电气特性和参数也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、电流特性。(1)传输延迟时间tpd在CL＝50pF的条件下，74HC04的传输延迟时间tpd约为9ns。

(2)动态功耗3.3双极型半导体二极管和三极管的开关特性

3.3.1双极型二极管的开关特性和二极管门电路1.二极管的结构和伏安特性：

PN结+引线+封装构成2.二极管的开关等效电路：二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二极管导通时VDF=0.7VABY0.3V0.3V1.0V0.3V4.0V1.0V4.0V0.3V1.0V4.0V4.0V4.7VABY000010100111规定4V以上为11V以下为0二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二极管导通时VDF=0.7VABY0.3V0.3V0V0.3V4.0V3.3V4.0V0.3V3.3V4.0V4.0V3.3VABY000011101111规定3.3V以上为10.3V以下为0二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路1.双极型三极管的结构示意图和符号

npn型三极管pnp型三极管3.3.2双极型三极管的开关特性2.npn型三极管开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL工作状态分析：3.三极管的开关等效电路3.4TTL门电路3.4.1TTL反相器1.电路结构和工作原理设定：(1)(2)

输入级倒相级输出级需要说明的几个问题：

工作状态分析工作状态分析电压传输特性阈值电压VTH约为1.4V2.输入特性以反相器SN7404为例

结论：TTL输入端悬空和接逻辑1电平效果相同注意：CMOS电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零3.输出特性1.反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的变化而改变，且变化不大。2.需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。3.4.2TTL与非门、或非门、与或非门和异或门1.与非门2.或非门3.与或非门4.异或门3.4.3三态输出和集电极开路输出的TTL门电路

1.三态输出的门电路2.集电极开路输出的门电路（opencollector）两个OC门的输出端并联实现“线与”，并可将OC门用于信号到总线的连接。为了获得输出的高低电平，需要将OC门的输出端经过一个上拉电阻接至电源。结构图和逻辑符号1.直流电气特性和参数(1)输入高电平VIH和输入低电平VIL在74系列中，电源电压+5V，VIH(min)为2V，VIH(max)为0.8V。(2)输出高电平VOH和输出低电平VOL在74系列中，VOH(min)为2.4V（当负载电流为－0.4mA），

VOL(max)为0.4V（当负载电流为16mA）。3.4.4TTL门电路的电气特性和参数(3)噪声容限VNH和VNL

VNH＝VOH(min)－VIH(min)＝0.4V

VNL＝VIL(max)－VOL(max)＝0.4V(4)高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL

IOH(max)<<IOL(max)在74系列中，IOL(max)＝16mA，IOH(max)＝－0.4mA。(5)高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL

IIH(max)<<IIL(max)在74系列中，IIH(max)＝0.04mA，IIL(max)＝－1.6mA。(6)输出高电平时的电源电流ICCH和输出低电平时的电源电流ICCL

2.开关电气特性和参数(