数字电子技术基础第三章-门电路课件

数字电子技术基础第三章门电路第三章门电路§3.1概述§3.2半导体基础知识§3.3分离元件门电路§3.4CMOS集成门电路§3.5TTL门电路3.1概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0构成门电路的核心器件是半导体器件1本征半导体2杂质半导体3PN结的形成及其单向导电性§3.2半导体基础知识半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强§3.2半导体基础知识1

本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。图01.01(a)晶体中原子的排列方式图01.01(b)硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图01.02所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。图01.02本征激发和复合的过程（动画1-1、动画1-2）2、本征半导体中的两种载流子为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3

杂质半导体(1)N（Negative）型半导体(2)P（Positive）型半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

(1）N型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。(2)P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子空穴多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体空间电荷区也称PN结扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度不再改变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－4

PN结（动画1-3）

(1)PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况如图01.07所示。

（动画1-4）图01.07PN结加正向电压时的导电情况6

PN结的导电性

(2)PN结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。PN结呈现高阻性。PN结加反向电压时的导电情况如图01.08所示。图01.08PN结加反向电压时的导电情况

（动画1-5）

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流——PN结导通；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移(饱和)电流——PN结截止。结论：PN结具有单向导电性。

一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。半导体二极管

二、二极管的伏安特性及电流方程

二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量三、二极管的等效电路理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！半导体二极管的导电特性:(2)导通区：(1)截止区：

V<0，I=0当0＜V＜Von时，正向电流为零，Von称为死区电压或开启电压。当V＞Von时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。总结一、理想模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=

二极管电路的基本问题和分析方法二种工作状态判断导通还是截止：UD

>Uon

则导通UD<Uon

则截止二、恒压源模型特性uDiD正偏导通，uD=Uon；反偏截止，iD=0U(BR)=

3.3分立元件门电路3.3.1二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为03.2.3二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V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3.3CMOS门电路

3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结以N沟道增强型为例：以N沟道增强型为例：当加+VDS时，VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压二、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特性： iD=f(VDS)对应不同的VGS下得一族曲线。漏极特性曲线（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大漏极特性曲线（分三个区域）

可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS一定时， 这个电阻受VGS控制、可变。三、MOS管的基本开关电路四、等效电路OFF，截止状态

ON，导通状态五、MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构二、电压、电流传输特性三、输入噪声容限问题：CMOS可以通过何种方式来提高噪声容限？3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性二、输出特性二、输出特性3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门二、漏极开路的门电路（OD门）

三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门2.双向模拟开关四、三态输出门三态门的用途双极型三极管的开关特性 （BJT,BipolarJunctionTransistor）3.5TTL门电路

3.5.1半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂以NPN为例说明工作原理：当VCC

>>VBBbe结正偏,bc结反偏e区发射大量的电子b区薄，只有少量的空穴bc反偏，大量电子形成IC二、三极管的输入特性和输出特性

三极管的输入特性曲线（NPN）VON：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V近似认为:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB的大小由外电路电压，电阻决定

三极管的输出特性固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE>0.7V以后，基本为水平直线特性曲线分三个部分放大区：条件VCE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。饱和区：条件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e间“断开”。三、双极型三极管的基本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：图解分析法：四、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。

参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL例3.5.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V例3.5.1：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路当当又因此，参数设计合理3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设

二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性需要说明的几个问题：

三、输入噪声容限3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性

例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。输入输出3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门3.与或非门二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用

OC门2、OC门的结构特点OC门实现的线与三、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）三态门的用途

学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。

对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。

本章首先学习常用半导体器件。对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目