數(shù)字邏輯教材第1章[090708]

1、 目 錄第1章：基礎(chǔ)概念41.1 概述41.2 基礎(chǔ)知識51.2.1 脈沖信號51.2.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性61.2.3 晶體二極管開關(guān)特性101.2.4 晶體三極管開關(guān)特性121.2.5 晶體三極管三種連接方法151.3 邏輯門電路161.3.1 DTL門電路161.3.2 TTL門電路181.3.3 CML門電路191.4 邏輯代數(shù)與基本邏輯運(yùn)算211.4.1 析取聯(lián)結(jié)詞與正“或”門電路221.4.2 合取聯(lián)結(jié)詞與正“與”門電路221.4.3 否定聯(lián)結(jié)詞與“非”門電路231.4.4 復(fù)合邏輯門電路241.4.5 雙條件聯(lián)結(jié)詞與“同或”電路251.4.6 不可兼或聯(lián)結(jié)詞與“異或”電路251.

2、5 觸發(fā)器基本概念與分類261.5.1 觸發(fā)器與時(shí)鐘281.5.2 基本RS觸發(fā)器281.5.3 可控RS觸發(fā)器291.5.4 主從式JK觸發(fā)器321.5.5 D型觸發(fā)器341.5.6 T型觸發(fā)器36第2章 數(shù)字編碼與邏輯代數(shù)382.1 數(shù)字系統(tǒng)中的編碼表示382.1.1 原、補(bǔ)、反碼392.1.2 原、補(bǔ)、反碼的運(yùn)算舉例452.1.3 基于計(jì)算性質(zhì)的幾種常用二十進(jìn)制編碼462.1.4 基于傳輸性質(zhì)的幾種可靠性編碼492.2 邏輯代數(shù)基礎(chǔ)與邏輯函數(shù)化簡542.2.1 邏輯代數(shù)的基本定理和規(guī)則552.2.2 邏輯函數(shù)及邏輯函數(shù)的表示方式572.2.3 邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式592.2.4 利用基本定

3、理簡化邏輯函數(shù)632.2.5 利用卡諾圖簡化邏輯函數(shù)65第3章：數(shù)字系統(tǒng)基本概念723.1 數(shù)字系統(tǒng)模型概述723.1.1 組合邏輯模型733.1.2 時(shí)序邏輯模型733.2 組合邏輯模型結(jié)構(gòu)的數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)763.2.1 組合邏輯功能部件分析773.2.2 組合邏輯功能部件設(shè)計(jì)803.3 時(shí)序邏輯模型下的數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)863.3.1 同步與異步863.3.2 同步數(shù)字系統(tǒng)功能部件分析883.3.3 同步數(shù)字系統(tǒng)功能部件設(shè)計(jì)923.3.4 異步數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)1063.4 基于中規(guī)模集成電路（MSI）的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)1173.4.1 中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)方法1173.4.2 中規(guī)模集成電

4、路設(shè)計(jì)舉例118第4章：可編程邏輯器件1294.1 可編程邏輯器件（PLD）演變1294.1.1 可編程邏輯器件（PLD）1304.1.2 可編程只讀存儲器（PROM）1334.1.3 現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPLA）1354.1.4 可編程陣列邏輯（PAL）1374.1.5 通用邏輯陣列（GAL）1404.2 可編程器件設(shè)計(jì)1474.2.1 可編程器件開發(fā)工具演變1474.2.2 可編程器件設(shè)計(jì)過程與舉例1484.3 兩種常用的HDPLD可編程邏輯器件1514.3.1 按集成度分類的可編程邏輯器件1514.3.2 CPLD可編程器件1524.3.3 FPGA可編程器件156第6章 數(shù)字系統(tǒng)功能

5、模塊設(shè)計(jì)1616.1 數(shù)字系統(tǒng)功能模塊1616.1.1 功能模塊概念1616.1.2 功能模塊外特性及設(shè)計(jì)過程1616.2 基于組合邏輯模型下的VHDL設(shè)計(jì)1626.2.1 基本邏輯門電路設(shè)計(jì)1626.2.2 比較器設(shè)計(jì)1656.2.3 代碼轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)1676.2.4 多路選擇器與多路分配器設(shè)計(jì)1686.2.5 運(yùn)算類功能部件設(shè)計(jì)1696.2.6 譯碼器設(shè)計(jì)1736.2.7 總線隔離器設(shè)計(jì)1746.3 基于時(shí)序邏輯模型下的VHDL設(shè)計(jì)1766.3.1 寄存器設(shè)計(jì)1766.3.2 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)1786.3.3 并串轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)1816.3.4 串并轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)1826.3.5 七段數(shù)字（LED）顯示原

6、理分析與設(shè)計(jì)1846.4 復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例1876.4.1 高速傳輸通道設(shè)計(jì)1876.4.2 多處理機(jī)共享數(shù)據(jù)保護(hù)鎖設(shè)計(jì)194第7章 系統(tǒng)集成2037.1 系統(tǒng)集成基礎(chǔ)知識2037.1.1 系統(tǒng)集成概念2037.1.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模式2057.1.3 系統(tǒng)集成步驟2067.2 系統(tǒng)集成規(guī)范2087.2.1 基于總線方式的互連結(jié)構(gòu)2087.2.2 路由協(xié)議2137.2.3 系統(tǒng)安全規(guī)范與防御2187.2.4 時(shí)間同步2217.3 數(shù)字系統(tǒng)的非功能設(shè)計(jì)2237.3.1 數(shù)字系統(tǒng)中信號傳輸競爭與險(xiǎn)象2237.3.2 故障注入2267.3.3 數(shù)字系統(tǒng)測試2287.3.4 低能耗系統(tǒng)與多時(shí)鐘技術(shù)

7、229第1章：基礎(chǔ)概念 數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是脈沖技術(shù)。由于脈沖技術(shù)是用離散電信號來表示數(shù)字量，并通過轉(zhuǎn)化成數(shù)字量值的脈沖信號來近似描述自然界中各種連續(xù)變化過程，所以對量化后的脈沖信號的傳輸和處理就是數(shù)字系統(tǒng)需要研究的對象和策略。另外在脈沖信號的處理中，記憶需要處理的信號是一個(gè)非常重要的功能，本章重點(diǎn)描述了如何實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的記憶多種方法。1.1 概述在人類生存自然界中存在著各種各樣表現(xiàn)萬物變化的信息，如植物生長、水流速度快慢、環(huán)境溫度變化、空氣污染狀況等。當(dāng)人類需要了解這些自然現(xiàn)象以及對它們進(jìn)行掌控時(shí)，就必須對這些變化信息進(jìn)行收集、傳遞、加工、處理及控制。但因這些變化信息都具有連續(xù)變化的一個(gè)共性

8、，所以需要對這些信息進(jìn)行處理時(shí)，常采用比擬或模擬方法來進(jìn)行，人們把這類具有描述連續(xù)變化特性物理量稱為模擬量（Analog value）。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，要想獲得模擬量精確表現(xiàn)是非常困難的，因此對以模擬量形式所表現(xiàn)信息進(jìn)行檢測和傳遞就很容易產(chǎn)生誤差。為解決模擬量精度和信息處理方便性，人們提出了在一定精度范圍要求下以數(shù)字量值形式來表現(xiàn)連續(xù)變化信息方法，為區(qū)分模擬量表示，稱這種表示方法為數(shù)字表示，這種以數(shù)字形式來表示所對應(yīng)模擬量就被稱為數(shù)字量（Digital value）。使用數(shù)字量來進(jìn)行傳遞、加工的工程應(yīng)用系統(tǒng)就稱為數(shù)字系統(tǒng)（Digital system）。在對數(shù)字量進(jìn)行采集、傳遞和加工過程中

9、，數(shù)字系統(tǒng)一般都采用了二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。這是因?yàn)槎M(jìn)制表示可以簡化工程實(shí)現(xiàn)難度、傳輸可靠性高、運(yùn)算簡單、節(jié)省器件等優(yōu)點(diǎn)。在使用了數(shù)字信息后，原來由模擬系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對自然信息的加工，現(xiàn)在都轉(zhuǎn)化成由數(shù)字系統(tǒng)來承擔(dān)并且效果更好。因此數(shù)字系統(tǒng)除數(shù)字信息進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算和加工外，還可以對各種邏輯思維進(jìn)行加工。邏輯加工在應(yīng)用于面向過程和對象的控制以及系統(tǒng)決策方面起著重要作用。所以數(shù)字系統(tǒng)也被稱為數(shù)字邏輯系統(tǒng)（Digital logic system），簡稱數(shù)字邏輯。采用數(shù)字量后需要注意的是，數(shù)字量具有離散量表現(xiàn)行為特征，而模擬量卻具有線性表現(xiàn)行為特征，所以為了將具有連續(xù)變化性質(zhì)的自然信息（模擬量）用數(shù)字系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)

10、加工和處理，就必須先通過模/數(shù)變換（A D conversion），實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量變換，然后對這些數(shù)字量進(jìn)行加工。待加工結(jié)束后，再通過數(shù)/模變換（D A conversion），將原來已經(jīng)加工后數(shù)字量還原成能直接表征線性變化的模擬量，這就是通常數(shù)字系統(tǒng)中所提到的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。近年來，因微電子技術(shù)迅速發(fā)展和崛起，數(shù)字信息在傳輸和處理速度方面都達(dá)到相當(dāng)高水平。若數(shù)字系統(tǒng)對數(shù)字信息加工處理以及傳輸所需總時(shí)間低于整個(gè)物理系統(tǒng)活動所需要時(shí)間，這樣的數(shù)字系統(tǒng)就稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real - time system）。實(shí)時(shí)性在數(shù)字系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)。因此實(shí)時(shí)系統(tǒng)一種較為抽象定義是：若一個(gè)數(shù)

11、字系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提供某種特殊服務(wù)。則該系統(tǒng)可稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。一種更能接受的定義是：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指計(jì)算正確性不僅取決于數(shù)字系統(tǒng)運(yùn)行邏輯正確性，也取決于結(jié)果產(chǎn)生時(shí)間，如果系統(tǒng)時(shí)間約束條件得不到滿足，此時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)將會發(fā)生系統(tǒng)出錯(cuò)。目前為了精確描述數(shù)字系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，其實(shí)時(shí)性又分別使用了硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)這兩種概念來具體區(qū)分和嚴(yán)格說明。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指系統(tǒng)自身要具備支持可能出現(xiàn)最壞情況下安全處理時(shí)間。因此在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，要求對任何突發(fā)事件的處理時(shí)間必須具有一個(gè)規(guī)定時(shí)限，否則系統(tǒng)將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。如遠(yuǎn)程救護(hù)系統(tǒng)中傷情數(shù)據(jù)傳輸過程、飛行器起落架收放系統(tǒng)等。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)是對任何突發(fā)事件能夠提供確定處理時(shí)間，而

12、且處理過程也能夠在系統(tǒng)規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，如果系統(tǒng)因各種外在或內(nèi)在因素超越了事件處理截止期限、但最終結(jié)果并不會導(dǎo)致系統(tǒng)致命錯(cuò)誤。如“蟲孔”路由算法（Worm Hole Routing）、藍(lán)牙技術(shù)中Whiting算法等。目前數(shù)字系統(tǒng)使用水平隨著超大規(guī)模集成電路VLSI（Very Large Scale Integration）和極大規(guī)模集成電路ULSI（Ultra Large Scale Integration）技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，新型器件和設(shè)計(jì)手段也不斷涌現(xiàn)，為此數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本和制作成本也不斷降低，使得數(shù)字系統(tǒng)競爭能力越來越強(qiáng)，加上現(xiàn)代新技術(shù)所特有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和靈活性，即使在數(shù)字系統(tǒng)制作成型后

13、，也可以通過各種升級手段對原有數(shù)字系統(tǒng)功能進(jìn)行在線升級和完善。1.2 基礎(chǔ)知識數(shù)字系統(tǒng)就是對脈沖信號進(jìn)行傳輸、控制和加工等處理，而這些過程所需要依賴數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部基本矛盾就是晶體管導(dǎo)通與截止、電容充電和放電。為此了解和掌握脈沖信號概念與晶體管開關(guān)特性成為學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。1.2.1 脈沖信號脈沖在學(xué)術(shù)上被定義成在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一種突變，隨后又迅速返回其初始量值的一種物理特性。因此從脈沖定義可以看出，脈沖有一種間隔性特征，正因?yàn)檫@種間隔性特征，所以可以把脈沖作為一種信號來描述。鑒于上述特征，脈沖信號可以被定義為：相對于連續(xù)信號而言，它是在整個(gè)信號周期內(nèi)所產(chǎn)生的短時(shí)間信號，因此脈沖信號在一個(gè)周期中

14、大部分時(shí)間段內(nèi)沒有信號出現(xiàn)，就像人的脈搏一樣，它具有間歇性出現(xiàn)特征。而現(xiàn)在一般所指數(shù)字信號，它可根據(jù)不同占空比來表征一個(gè)周期內(nèi)多少時(shí)間有信號。通常在數(shù)字系統(tǒng)中所使用信號就是脈沖信號，它們也被稱為數(shù)字信號。脈沖技術(shù)所包含內(nèi)容非常豐富，概括的說就是有脈沖的變換、產(chǎn)生、放大、驅(qū)動、傳輸和測量等。這里只要建立一些基礎(chǔ)認(rèn)識，而不需要進(jìn)行很深入研究。為了解什么是脈沖以及如何產(chǎn)生脈沖信號，可以通過如圖1.1所示的簡單直流電路工作過程來描述。該簡單直流電路由電阻R1和R2構(gòu)成一個(gè)分壓電路，電路輸出電壓將取決于R2上電壓值。而電路輸出電壓能否在R2上產(chǎn)生，又取決于電路中一個(gè)開關(guān)元件K的閉合和斷開。因此電源接通后

15、，若電路中開關(guān)K處于閉合狀態(tài)，電路中所形成電流回路將只通過電阻R1，因開關(guān)K閉合則導(dǎo)致了對電阻R2短路，因此在R2兩端形成一個(gè)等電位，又因?yàn)殡娐份敵鲭妷喝Q于R2，所以電路輸出電壓為0v。若按圖1.2所示將開關(guān)斷開，在電源接通后，則電源將通過電阻R1和R2形成回路，流經(jīng)分壓電阻R1和R2的回路電流將在R2兩端建立起一個(gè)電壓，而該電壓就是電路輸出電壓，所以其輸出電壓值為：Vout = Vcc ´ R2/( R1 + R2)。 未在R2 在R2上形成電流回路的電路若將開關(guān)K再次合上，則R2又被短路，輸出電壓也再次回到0V，周而復(fù)始重復(fù)這個(gè)開關(guān)過程，那么在輸出端上就可以得到如圖1.3所示一

16、系列斷續(xù)電壓變化波形，人們稱這種形式輸出信號為脈沖信號，所以對于脈沖也可以描述成短時(shí)間內(nèi)所出現(xiàn)電壓或電流變化。由于電路對外輸出脈沖有效信號寬度和脈沖時(shí)間間隔取決于電路中開關(guān)元件閉合和斷開時(shí)間，因此可以通過對開關(guān)元件K的控制閉合和斷開頻度來獲取不同持續(xù)時(shí)間寬度的脈沖輸出信號。一般情況下，凡是按非正弦規(guī)律變化的電流或電壓信號都稱為脈沖信號，所以脈沖信號波形種類繁多，圖 1.4表示了幾種常見脈沖波形。 電路輸出脈沖信號尖脈沖 矩形脈沖 方波(占空比1:1) 梯形波 鋸齒波 三角波 階梯波 幾種常見脈沖信號圖1.5描述了脈沖信號常用幾個(gè)參數(shù)：脈沖幅度Vm：從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)跳變值。脈沖周期T：

17、兩個(gè)相鄰脈沖重復(fù)出現(xiàn)所間隔時(shí)間。上升時(shí)間tr：從0電平到高電平所需要時(shí)間。下降時(shí)間tf：從高電平到0電平所需要時(shí)間。脈沖寬度tu：脈沖出現(xiàn)后持續(xù)時(shí)間。 脈沖信號參數(shù)描述1.2.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性無論是早期數(shù)字系統(tǒng)所采用的分立元件體系結(jié)構(gòu)，還是歷經(jīng)20多年發(fā)展過程中數(shù)字系統(tǒng)所采用的各種小規(guī)模集成電路SSI（Small Scale Integration）、中規(guī)模集成電路MSI（Medium Scale Integration）和大規(guī)模集成電路LSI（Large Scale Integration），以及現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)所采用的VLSI或ULSI器件，它們都是由半導(dǎo)體材料（鍺、硅等）做成的，了解半導(dǎo)

18、體導(dǎo)電特性將更加有助于對晶體管工作原理的理解。下面從三個(gè)方面對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能展開描述。1.半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。對于很容易導(dǎo)電的材料，如金、銀、銅、鐵等，人們將它們稱其為導(dǎo)體，而對于那些不能導(dǎo)電的材料，如橡膠、塑料、陶瓷、木材等，則稱其為絕緣體。對絕緣體而言，就是通過外界施加很高的電源電壓在材料上，這些材料內(nèi)部幾乎也沒有任何電流出現(xiàn)。而半導(dǎo)體則是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種材料，它的導(dǎo)電性比不上導(dǎo)體，但又比絕緣體好。為什么不同材料會出現(xiàn)有如此巨大差異的導(dǎo)電性，即引起導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體之分根本原因何在，其實(shí)就是材料內(nèi)部特性和材料內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)，它們?nèi)Q于材料內(nèi)部可以運(yùn)載電荷形成電流載粒子多少。我們知

19、道原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。因此在任何一種原子結(jié)構(gòu)中，電子又被分成幾層圍繞著原子核作不停的運(yùn)動。所以在同一個(gè)原子中，越靠近原子核內(nèi)層電子受到原子核吸引力就越大，而遠(yuǎn)離原子核外層電子受到原子核吸引力就小。對導(dǎo)體而言，因外層電子受到原子核束縛力最小，因此這些大量游離在外層的電子很容易掙脫原子核對它們所產(chǎn)生的束縛力而變成自由電子，所以這些自由電子就成為了運(yùn)載電荷運(yùn)動的載流子，一旦材料在施加外電場的作用下，這些載流子將形成定向運(yùn)動而成為電流出現(xiàn)在載體中。在絕緣體中，由于外層電子受到原子核束縛力很大，這些外層電子很難掙脫原子核對它們所產(chǎn)生的束縛力，為此它們能成為運(yùn)載電荷的載流子機(jī)遇非常小

20、，正是這個(gè)原因就決定了絕緣體導(dǎo)電性相對 硅原子結(jié)構(gòu)圖 鍺原子結(jié)構(gòu)圖很差。 硅原子和鍺原子結(jié)構(gòu)示意半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)有些特殊，外層電子既不象 導(dǎo)體那樣很容易掙脫原子核對它的束縛力，但也不 象絕緣體那樣受到原子核很強(qiáng)束縛。在常溫條件下， 盡管有些電子能掙脫原子核對它束縛而成為了運(yùn)載電荷運(yùn)動的載流子，但這些載流子數(shù)量遠(yuǎn)比導(dǎo)體材料少得多，所以它們的導(dǎo)電性處在導(dǎo)體和絕緣體之間，這就是半導(dǎo)體材料導(dǎo)電特性由來。 2.半導(dǎo)體的特殊載流子。從半導(dǎo)體技術(shù)初創(chuàng)階段 到如今器件技術(shù)全面發(fā)展階段，這些半導(dǎo)體材料主要 硅晶體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)是基于硅和鍺（化學(xué)符號是Si和Ge）這兩種材料， 而這兩種材料原子結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。

21、一旦把硅、鍺這種半導(dǎo)體材料變成單晶體結(jié)構(gòu)后，這些材料的原子排列就從原來雜亂無章排列狀態(tài)過渡成非常整齊的排列狀態(tài)，且各個(gè)原子之間距離相等，約為 2.35 ´ 10-4微米，每個(gè)原子最外層都是有4個(gè)價(jià)電子，其結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。源于原子理論使我們知道，只有當(dāng)原子核外層電子要 達(dá)到八個(gè)時(shí)才是處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此當(dāng)硅原子在組成硅晶 共有電子運(yùn)動示意圖體時(shí)，每個(gè)原子將要對四周相鄰原子外層電子進(jìn)行爭奪，來達(dá)到滿足穩(wěn)定狀態(tài)條件，這樣每兩兩相鄰的兩個(gè)硅原子將處于一種共享一個(gè)電子對狀態(tài)，即共有電子對狀態(tài)。在這個(gè)電子對中任何一個(gè)電子，它除了一方面圍繞自己原子核運(yùn)動外，也還時(shí)常出現(xiàn)在相鄰原子所屬軌跡上，人們

22、稱這種組合為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。而半導(dǎo)體硅、鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是外層共有電子所受到原子核束縛力沒有絕緣體那樣強(qiáng)烈，在一定溫度條件下，由熱能可以轉(zhuǎn)化成電子需要運(yùn)動的動能，其中有少數(shù)電子有可能將掙脫原子核束縛力而成為自由電子，這就形成了帶負(fù)電載流子。我們需要注意的是在共有電子掙脫了原子核對它束縛力而成為自由電子后，它將把它原來所處位置形成了一個(gè)空位出來。正是有了這樣一個(gè)空位，導(dǎo)致處于附近位置上的共有電子很容易對這個(gè)空位進(jìn)行填補(bǔ)，這樣就形成了共有電子運(yùn)動，結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。為了區(qū)別帶負(fù)電自由電子運(yùn)動過程，人們將這種帶正電荷空位在半導(dǎo)體中運(yùn)動過程稱為空穴運(yùn)動。作為空穴運(yùn)動過程，也可以將其空穴看作是一種載流子。

23、當(dāng)對半導(dǎo)體施加外電壓作用時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子將按一個(gè)特定方向進(jìn)行定向運(yùn)動，從而產(chǎn)生帶負(fù)電荷的電子電流，同時(shí)半導(dǎo)體內(nèi)部共有電子也依據(jù)替補(bǔ)空穴原理形成帶正電荷的空穴電流。這兩種電流都是按照特定方向?qū)崿F(xiàn)相反定向流動，但不同的是，電子電流是一種帶負(fù)電定向電流，而空穴電流是一種帶正電定向電流。所以半導(dǎo)體在外電壓施加作用下，不僅有電子載流子所引起的負(fù)電荷電子流，而且還有空穴載流子所引起的正電荷電子流，這就是半導(dǎo)體非常重要的導(dǎo)電方式，它也是用于區(qū)別于導(dǎo)體導(dǎo)電的一種重要特性。由于物質(zhì)總是處于不停運(yùn)動中，因此在半導(dǎo)體內(nèi)部熱運(yùn)動也不斷地產(chǎn)生自由電子，同時(shí)也產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量空穴。自由電子在運(yùn)動過程中又不斷地與半導(dǎo)體中

24、所出現(xiàn)空穴重新結(jié)合而消失，它是與產(chǎn)生自由電子的一個(gè)相反過程。所以在一定溫度條件下，這種運(yùn)動將會達(dá)到一個(gè)相對平衡狀態(tài)，盡管半導(dǎo)體內(nèi)部的結(jié)合和產(chǎn)生過程仍在進(jìn)行，但電子和空穴卻維持著一定的數(shù)量。3.p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體。在單晶半導(dǎo)體中雖然存在著電子載流子和空穴載流子，但這些能起著導(dǎo)電作用載流子數(shù)量，離材料所能達(dá)到的導(dǎo)電性能還相去甚遠(yuǎn)。由于半導(dǎo)體材料對其導(dǎo)電性具有一種很可貴的可控特性，所以采取一些適當(dāng)外界措施后，如加溫、光照、或有選擇性地?fù)饺胍恍┢渌饘匐s質(zhì)，就可以顯著提高半導(dǎo)體導(dǎo)電性。而經(jīng)常提及的p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體就是在純單晶半導(dǎo)體中分別摻入三價(jià)硼元素和五價(jià)磷、銻等元素，硅晶體摻雜硼、 磷后原

25、子結(jié)構(gòu)結(jié)。 硅晶體摻雜硼、磷后的原子結(jié)構(gòu)圖因?yàn)榕鹗侨齼r(jià)元素，其外層只有三個(gè)電子，所以在與硅原子組成共價(jià)鍵時(shí)，就自然形成一個(gè)空穴。摻入的硼雜質(zhì)每個(gè)原子都可以提供一個(gè)空穴，形成硅晶體中空穴載流子數(shù)量大大增加，此時(shí)這種半導(dǎo)體中自由電子數(shù)量相對很少，其導(dǎo)電性主要依賴于空穴載流子，人們把這種半導(dǎo)體稱為空穴半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。如果在硅晶體中摻入磷，銻等五價(jià)元素，這時(shí)構(gòu)成的原子結(jié)構(gòu)又不一樣了。在硅原子和磷原子組成共價(jià)鍵后，磷外層五個(gè)電子有四個(gè)與硅原子組成共價(jià)鍵，多出一個(gè)電子由于受到原子核束縛力很小，從而很容易成為自由電子，這時(shí)構(gòu)成的半導(dǎo)體材料中，出現(xiàn)了電子為多數(shù)載流子，而空穴為少數(shù)載流子情況，其導(dǎo)電性主

26、要取決于電子，人們把這種半導(dǎo)體稱為電子半導(dǎo)體，簡稱n型半導(dǎo)體。在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體中經(jīng)常是以p型雜質(zhì)和n型雜質(zhì)混合形式而出現(xiàn)，因此半導(dǎo)體究竟是p型半導(dǎo)體還是n型半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，將取決于某種雜質(zhì)在半導(dǎo)體中摻入濃度。這樣半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性可以在某種已得以確認(rèn)導(dǎo)電特性下，通過修改摻入雜質(zhì)比例而引起導(dǎo)電特性轉(zhuǎn)變。單純一塊p型半導(dǎo)體或一塊n型半導(dǎo)體只能起到一個(gè)電阻作用，若在一塊半導(dǎo)體中將這兩種半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)在一起，那么在這兩個(gè)半導(dǎo)體的交界面上就會形成一個(gè)p n結(jié)，通過這些p n 結(jié)可以構(gòu)成二極管、三極管、可控硅等電子元件，器件生產(chǎn)商正是利用這些電子元件結(jié)構(gòu)元件生產(chǎn)出各種VLSI和ULSI器件。要讓p n結(jié)能形

27、成各種電子元件，就需要p n結(jié)具備單向?qū)щ娦袨?。p n結(jié)之所以能出現(xiàn)導(dǎo)電行為，實(shí)際上就是由半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動所引起。當(dāng)做成一個(gè)p n結(jié)后，在p區(qū)中空穴載流子數(shù)量較多，因此空穴載流子就要由p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散，同樣處于n區(qū)電子載流子數(shù)量較多，它也形成了從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散，圖1.10表示了載流子擴(kuò)散示意圖。正因?yàn)樯鲜霭雽?dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的擴(kuò)散運(yùn)動，使得p區(qū)空穴減少，失去帶正電空穴的p型雜質(zhì)原子就變成了帶負(fù)電的離子。同樣也是這種擴(kuò)散運(yùn)動，使得n區(qū)電子也被減少，失去帶負(fù)電電子的n型雜質(zhì)原子就變成了帶正電的離子。由于離子在晶體中是不能移動的，這樣在p 因擴(kuò)散運(yùn)動所產(chǎn)生的空間電場示意圖區(qū)和n區(qū)交界面上就形成了

28、一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，人們把這個(gè)電荷區(qū)就稱為p n結(jié)。在這個(gè)p n結(jié)上，p區(qū)這邊帶負(fù)電，而在n區(qū)這邊帶正電，從而形成了一個(gè)空間電場，該電場的方向是由n區(qū)指向p區(qū)，圖1.11表示因擴(kuò)散運(yùn)動所導(dǎo)致在半導(dǎo)體中所產(chǎn)生的空間電場示意圖。在p n結(jié)上所存在的這個(gè)空間電場，對擴(kuò)散運(yùn)動帶來對p區(qū)多數(shù)空穴載流子向n區(qū)擴(kuò)散進(jìn)行阻礙，同樣它也阻礙了n區(qū)多數(shù)電子載流子向p區(qū)擴(kuò)散。同時(shí)電場還使p區(qū)少數(shù)電子載流子和n區(qū)少數(shù)空穴載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域進(jìn)行漂移運(yùn)動，因此在p n結(jié)內(nèi)部就出現(xiàn)了兩種運(yùn)動。一個(gè)是因濃度差異所引起的擴(kuò)散運(yùn)動，一個(gè)是因空間電場所引起的漂移運(yùn)動。開始時(shí)候，p n結(jié)內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動為主要行為，隨著擴(kuò)散過程的持續(xù)，p

29、 n結(jié)開始逐漸加寬，從而導(dǎo)致空間電場力逐漸加強(qiáng)，這個(gè)電場力反過來又使得漂移運(yùn)動也加強(qiáng)。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動作用相互抵消時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部p n結(jié)就不再加寬了，從而達(dá)到暫時(shí)平衡。盡管半導(dǎo)體內(nèi)部仍繼續(xù)著擴(kuò)散和漂移運(yùn)動過程，但它們以一種大小相等，作用相反的表現(xiàn)行為而存在，此時(shí)半導(dǎo)體上不會有任何電流能流過。 p n結(jié)正向連接的單向?qū)щ娦袨?p n結(jié)反向連接的單向?qū)щ娦袨槿绻覀冊诎雽?dǎo)體p 式，將外部電壓正極接在p n結(jié)p區(qū)上，同時(shí)將外部電壓負(fù)極接在p n結(jié)n區(qū)上。 此時(shí)因外加電壓與半導(dǎo)體內(nèi)部p n結(jié)上所形成的空間電場方向相反，這勢必對原電場進(jìn)行削弱，結(jié)果導(dǎo)致擴(kuò)散運(yùn)動能力超過漂移運(yùn)動能力，使得空穴載流子就能

30、夠順利地越過p n結(jié)空間電場區(qū)，在p n結(jié)就形成較大電流出現(xiàn)，所以p n結(jié)在正向?qū)ㄇ闆r下其電阻是非常小的。由于在p n結(jié)上施加的外部電壓使得p n結(jié)空間電場變窄，其結(jié)果驅(qū)使了p區(qū)空穴載流子向n 區(qū)運(yùn)動，同樣也促使n 區(qū)電子載流子向p區(qū)運(yùn)動。一旦p區(qū)空穴載流子向n區(qū)運(yùn)動而進(jìn)入空間電荷區(qū)，就與原來存在于空間電荷區(qū)中負(fù)離子進(jìn)行中和，同樣由n區(qū)向p區(qū)運(yùn)動電子載流子在進(jìn)入空間電荷區(qū)后，也與原來空間電荷區(qū)中存在的正離子中和，這兩種中和結(jié)果都使得空間電荷量減少，表現(xiàn)在p n結(jié)的物理特性上就是空間電場減弱，即p n結(jié)變窄。如果按圖1.13所示方式，將外加電壓負(fù)極接在p n結(jié)p區(qū)上，同時(shí)將外部電壓正極接在p

31、n結(jié)n區(qū)上。由于這種連接方式是外加電壓與半導(dǎo)體內(nèi)部空間電場方向一致，它將使得p區(qū)中空穴載流子向外加電壓負(fù)極進(jìn)行移動，而n區(qū)中電子載流子向外加電壓正極進(jìn)行移動，這種反向運(yùn)動結(jié)果導(dǎo)致了空間電荷量不是減少，而是增多，表現(xiàn)在p n結(jié)物理特性上是空間電場增強(qiáng)，即p n結(jié)變寬，這樣在半導(dǎo)體中使得載流子擴(kuò)散運(yùn)動很難繼續(xù)進(jìn)行。但是由物體運(yùn)動所產(chǎn)生的熱激發(fā)將在n區(qū)中生成空穴載流子和p區(qū)中生成電子載流子，它們在外加電壓作用下實(shí)現(xiàn)漂移，從而在p n結(jié)上形成漂移電流。由于這些載流子數(shù)量極少，所以在反向電壓作用下形成的反向漂移電流也很小，這個(gè)反向漂移電流就是人們通常所說的反向暗流或反向電流，這也是為什么p n結(jié)在反向電

32、壓施加下產(chǎn)生電阻很大的原因。1.2.3 晶體二極管開關(guān)特性二極管就是一個(gè)p n結(jié)。它是在n型硅片氧化膜上利用光刻技術(shù)先開出一個(gè)窗口，然后對該窗口進(jìn)行高濃度硼擴(kuò)散來獲得p型硅，這樣在其交界處就形成了一個(gè)p n結(jié)，二極管用符號表示。二極管特性就是單向?qū)щ?，以硅二極管為例的電壓電流(V/A)曲線如圖1.14所示。二極管伏安曲線由如下三個(gè)部分組成：1.正向特性部分：當(dāng)在二極管兩端施加正向電壓Vf時(shí)，在二極管內(nèi)部將立即產(chǎn)生正向電流If。如果外部施加正向電壓還不能克服 內(nèi)部電場對載流子擴(kuò)散運(yùn)動阻力時(shí)，此時(shí)流經(jīng) 硅二極管電壓電流(V/A)曲線二極管正向電流仍然很少，二極管仍表現(xiàn)出較大電阻特性。只有當(dāng)外加電壓

33、達(dá)到一定程度后，其結(jié)果外加電壓將大大削弱二極管中內(nèi)部電場，使得二極管中正向電流快速增大。這個(gè)正向電流增大也必須有一個(gè)適度，即它能表現(xiàn)出的最大可容忍電流量，否則使二極管產(chǎn)生過熱現(xiàn)象而被燒壞。因此在一定工作電流下，希望二極管管壓降是越小越好。所以這個(gè)正向壓降和正向電流是二極管正向特性的兩個(gè)主要參數(shù)。2.反向電流部分：反向電流是由因二極管內(nèi)部p區(qū)空穴載流子和n區(qū)電子載流子漂移運(yùn)動所引起的，這些少量載流子在電場作用下很容易地通過p n結(jié)而形成反向電流，所以反向電流大小將取決于載流子數(shù)，而與反向電壓大小可以說幾乎無關(guān)。由于半導(dǎo)體內(nèi)的漂移運(yùn)動與熱激發(fā)相關(guān)聯(lián)，而熱激發(fā)又受到溫度影響，在溫度升高時(shí)，熱激發(fā)更加

34、劇烈的被表現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致反向電流隨之增加。所以在數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中，一定要考慮環(huán)境溫度，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懙剿褂眉呻娐贩聪螂娏鲉栴}。所以我們說，反向電流是衡量二極管反向特性一個(gè)重要參數(shù)。如果一個(gè)二極管反向電流越大，說明二極管性能越差。3.反向擊穿電壓部分：反向擊穿電壓是提供給使用者在對二極管使用時(shí)，可以承受外部電源反接時(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)對二極管采用反向連接時(shí)，反向電壓開始增加并不能立即引起二極管反向電流增加，即反向電流仍基本保持不變。但當(dāng)外部電壓增加到一定大小時(shí)候，二極管的反向電流將突然劇增，出現(xiàn)二極管被擊穿現(xiàn)象。產(chǎn)生二極管被擊穿原因是，當(dāng)外加反向電壓增加到一定量值時(shí)，使得二極管內(nèi)部p n結(jié)中

35、電場強(qiáng)度非常大，結(jié)果導(dǎo)致p n結(jié)中載流子獲得極大動能，并去撞擊其它原子而產(chǎn)生電離。這些被電離出來載流子又去撞擊更多原子，又使得這些再度被撞擊原子也產(chǎn)生電離作用，這個(gè)現(xiàn)象就如同雪崩效應(yīng)一樣，使得瞬間通過p n結(jié)電流量劇烈增長，最后導(dǎo)致二極管被擊穿。因此任何一種電子元件和集成電路都給出了它們可以工作的最大反向工作電壓，在對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要按照電路元件或集成電路所提供的工作頻率、工作電流、反向電壓等參數(shù)進(jìn)行選用。由于數(shù)字系統(tǒng)是專門研究如何通過脈沖信號來加工、傳輸和處理連續(xù)變化的信號量，所以在脈沖作用下，二極管將處于通（管壓降很小、有電流通過）和斷（沒有電流通過）這兩種工作狀態(tài)，而且這兩種狀

36、態(tài)轉(zhuǎn)換速度要求能極其高速的被表現(xiàn)出來，所以二極管開關(guān)特性反映了晶體管在導(dǎo)通和截止這兩種狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換問題。分析圖1.15和圖1.16，圖1.15中接入正反兩個(gè)電源，究竟是哪個(gè)外接電源被接入取決于電路中開關(guān)K，電路中電阻R起到了對二極管限流作用，Vout表示了二極管管壓降，這個(gè)管壓降也代表了電路輸出電壓。 描述二極管開關(guān)特性電路 二極管開關(guān)特性示意圖當(dāng)電路中開關(guān)K倒向到正向電源連接方式時(shí)，二極管立即處于正向?qū)顟B(tài)，此時(shí)二極管兩端正向壓降Vout很小，電路中正向電流為If =Vf / R。如果從對外輸出電壓這個(gè)角度上看，此時(shí)電路對外將輸出一個(gè)低電平（硅二極管約為0.7v，鍺二極管約為0.3v）

37、。若將電路中開關(guān)K倒向反向電源連接方式，二極管將處于反向截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電路中Ib » 0，Vout = Vb，二極管兩端壓降就是輸入反向電壓，即反向截止，如果從對外輸出電壓這個(gè)角度上看，此時(shí)電路對外輸出一個(gè)高電平。從圖1.16中可以看出，當(dāng)電路開關(guān)K從正向連接突然倒向負(fù)向連接時(shí)，這一瞬間電路中反向電流仍然很大，Ib = Vb / R，此時(shí)二極管仍然維持很小對外輸出電壓。在經(jīng)過一段時(shí)間后，二極管將從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變成截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電路中才幾乎沒有電流流動，對外輸出電壓就從低電平轉(zhuǎn)變成高電平，所以說二極管反向截止是有條件且可變動的。從1.2.2中已清楚知道，在二極管處于正向?qū)〞r(shí)候，p區(qū)和n

38、區(qū)載流子都是不斷地向?qū)Ψ絽^(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動，這些空穴載流子和電子載流子在克服了空間電場阻力到對方區(qū)域后，并不是立即與電子或空穴復(fù)合而消失,而是在一個(gè)稱為擴(kuò)散長度路程中繼續(xù)擴(kuò)散，雖然它們也會與一些空穴或電子復(fù)合而消失，但在這個(gè)擴(kuò)散長度范圍內(nèi)存儲了一定數(shù)量的空穴或電子，并建立了一定密度分布且在對方區(qū)域中形成一定量的存儲。當(dāng)對二極管突然施加反向電壓時(shí)，它們將立即形成漂移運(yùn)動，這就是前面所說Ib為什么開始還出現(xiàn)相當(dāng)大的原因。在經(jīng)過一段時(shí)間后，由于處于p區(qū)和n區(qū)存儲電荷消失，Ib才出現(xiàn)幾乎為零情況。由于在外加電壓的突然改變，它為二極管從導(dǎo)通向截止方面轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)條件，所以產(chǎn)生的反向電流使得存儲電荷逐漸消

39、失。在存儲電荷消失后， p n結(jié)空間電荷區(qū)也開始由窄逐漸變寬，因此通過二極管的電流也逐步跟隨變小，導(dǎo)致二極管也由原來導(dǎo)通狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成截止?fàn)顟B(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間稱為二極管反向恢復(fù)時(shí)間，用ts表示。ts和選用二極管有關(guān)，屬于低頻整流管類型的p n結(jié)面積大，所以存儲電荷也較多，因此ts就大。而開關(guān)型二極管p n結(jié)面積小，同時(shí)在制作工藝中利用了“摻金”手段，即在半導(dǎo)體中摻入極少量金元素，這些金元素很容易捕獲電子并與空穴復(fù)合而消失，所以可以加快二極管開關(guān)速度，這樣它可以達(dá)到讓存儲電荷快速復(fù)合并消失效果，所以ts就小。當(dāng)二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，若再度將外加電源修改成正向連接方式，此時(shí)二極管又從反向截止?fàn)顟B(tài)

40、轉(zhuǎn)變成正向?qū)顟B(tài)。二極管內(nèi)部p n結(jié)電荷區(qū)再次由寬變窄，其結(jié)果所引起電荷量由多變少雖然也需要一定時(shí)間，但這個(gè)時(shí)間非常短暫，一般情況下都將該時(shí)間忽略掉。1.2.4 晶體三極管開關(guān)特性開關(guān)在電路中作用是，它只具有兩個(gè)狀態(tài)，接通和斷開。對于理想的開關(guān)，當(dāng)它接通時(shí)阻抗應(yīng)為0；當(dāng)它斷開時(shí)阻抗應(yīng)為無窮大；同時(shí)開關(guān)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種狀態(tài)時(shí)所需時(shí)間應(yīng)等于0。事實(shí)上，這種理想開關(guān)是不可能存在，但至少我們可以利用三極管開關(guān)特性來較好起到開關(guān)作用。三極管構(gòu)成也采用了p n結(jié)模式，但它比二極管增加了把信號放大作用，這也是三極管與二極管相比所產(chǎn)生的質(zhì)的飛躍。三極管是由兩個(gè)p n結(jié)組成，中間用一層很薄的基區(qū)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)

41、系，圖1.17表示了三極管結(jié)構(gòu)和符號，其中發(fā)射極用“e”表示，基極用“b”表示，集電極用“c”表示。 三極管結(jié)構(gòu)與符號示意圖放大是三極管基本特性，但放大也被一些條件所制約。在某些情況下，三極管可以從放大狀態(tài)轉(zhuǎn)化成截止?fàn)顟B(tài)，或從放大狀態(tài)轉(zhuǎn)化成飽和狀態(tài)，因此放大、截止、飽和稱為三極管三個(gè)工作狀態(tài)，所以數(shù)字系統(tǒng)所涉及到數(shù)據(jù)信息的加工、傳輸和處理就利用了三極管這三個(gè)狀態(tài)互相轉(zhuǎn)化特性。假設(shè)有一個(gè)如圖1.18所示電路，我們可以通過該電路來簡單定性說明三極管三個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化過程。三極管截止?fàn)顟B(tài)：若在電路輸入端施加一個(gè)從-3V到+3V脈沖信號， 開始時(shí)輸入電壓為-3V，因發(fā)射極電位Ve = 0，所以在發(fā)射結(jié)上

42、施加的是一個(gè)反向偏置。此時(shí)三極管集電極電位Vc也高于Vb，同樣收集結(jié)也處于反向偏置。由于此時(shí)三極管兩個(gè)p n結(jié)都處于反向偏置，此時(shí)三極管內(nèi)部主要表 三極管截止、放大飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)化示意圖現(xiàn)的是漂移運(yùn)動，因這種情況下三極 管中能夠獲得漂移條件的載流子為極少數(shù)，由它們形成的反向電流是可以忽略不計(jì)的，即Ib與Ie基本上為0，輸出電壓 Vout = +12v。此時(shí)三個(gè)電極之間，似乎用一種斷開現(xiàn)象被表現(xiàn)出來，因此人們把三極管這種工作狀態(tài)稱為截止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上只要輸入電壓Vin £ 射極電壓Ve，將導(dǎo)致基極電流Ib = 0，三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。三極管放大狀態(tài)：如果把輸入電壓Vin從-3V增加到+3V，

43、此時(shí)Rb若很大，則Vb < 0.5V，發(fā)射結(jié)電場阻力仍未被削弱，發(fā)射區(qū)電子擴(kuò)散運(yùn)動還是非常困難的，這時(shí)三極管基極電流Ib和集電極電流Ic仍很小，所以三極管仍處于未導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)繼續(xù)增加輸入電壓Vin，使得基極電壓達(dá)到0.7V左右，發(fā)射結(jié)正式導(dǎo)通，此時(shí)對于三極管來講，只要稍微改變一點(diǎn)基極電流Ib，集電極電流Ic將按照一個(gè)確定放大倍數(shù)（如40倍）產(chǎn)生一個(gè)很大變化。由于集電極電流Ic變化，也導(dǎo)致輸出電壓Vout也跟隨發(fā)生相應(yīng)地改變，這就是三極管放大特點(diǎn)。假設(shè)基極電流Ib = 50mA，按放大倍數(shù)b = 40倍計(jì)算，集電極電流Ic = 2mA，輸出電壓Vout = Ec - Ic ´ R

44、c = 12V - 2 mA ´ 1K = 12V 2V = 10V。若增加基極電流到100mA，此時(shí)三極管集電極電流達(dá)到4mA，輸出電壓Vout = Ec - Ic ´ Rc = 12V - 4 mA ´ 1K = 12V 4V = 8V。所以從這個(gè)分析中可看出，基極電流Ib變化一點(diǎn)，則集電極電流Ic變化是非常大的，即集電極電流變化按基極電流40倍計(jì)算，因此集電極電流巨大變化也引起輸出電壓發(fā)生相應(yīng)變化，即三極管放大特點(diǎn)定量舉例。當(dāng)三極管處于放大狀態(tài)時(shí)，由于集電極電壓Vc仍然高于基極電壓Vb，所以三極管收集結(jié)仍處于反向偏置，這樣收集結(jié)將發(fā)射區(qū)通過基區(qū)發(fā)射過來的電子

45、充分加以收集，集電極電流Ic = b ´ Ib，所以集電極電流Ic大小主要取決于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子情況，而與負(fù)載電阻Rc，集電極電壓VC大小基本無關(guān)。三極管飽和狀態(tài)：若繼續(xù)增加基極電流Ib = 300mA，此時(shí)集電極電流Ic » 12mA，這樣電路輸出電壓Vout就是硅型三極管集 射極管壓降，約為0.3V。若繼續(xù)增加基極電流Ib = 400mA，因電源電壓為12V，集電極電流Ic只能維持在12mA，電路對外輸出仍保持在0.3V左右。所以盡管基極電流Ib可以繼續(xù)增加，但集電極電流Ic已經(jīng)不能再跟隨增加了，輸出電壓幾乎趨近于0V，但決不能變成一個(gè)負(fù)電壓輸出，這時(shí)我們說三極管已經(jīng)失去

46、它的放大能力，從而進(jìn)入了一種稱為飽和的現(xiàn)象，人們把三極管這種工作狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。出現(xiàn)飽和原因是集電極電流Ic增加受到負(fù)載電阻Rc限制。在本例中，因Rc 取為1K，所以Ic增加將引起Vout下降，輸出電壓Vout最多只能接近于0V，這樣就限制了集電極電流最多只能接近于12mA。這也說明基區(qū)電子擴(kuò)散運(yùn)動在收集結(jié)處產(chǎn)生了堆積，而復(fù)合運(yùn)動成主體運(yùn)動，由發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的多余電子都形成了基極電流，因此收集結(jié)由反向偏置變成了正向偏置。原本在收集結(jié)上的漂移運(yùn)動被轉(zhuǎn)化成擴(kuò)散運(yùn)動，從而使收集極收集作用受到了限制，三極管就從原來放大狀態(tài)進(jìn)入到飽和狀態(tài)。通過上面對三極管三種工作狀態(tài)分析，可以得到以圖1.18電路為例

47、的如圖1.19所示三極管特性曲線，該特性曲線描述了三極管集射極壓降Vce、集電極電流Ic和基極電流Ib之間關(guān)系。利用特性曲線圖可以直觀表示三極管工作區(qū)域，圖中拐彎處左邊部分為三極管飽和區(qū)，拐彎處右邊平坦部分為三極管放大區(qū)，曲線圖中拐點(diǎn)為臨界飽和點(diǎn)。實(shí)際上經(jīng)常把特性曲線與負(fù)載線結(jié)合起來使用。 負(fù)載線就是在負(fù)載電阻Rc被固定情況下，改變 三極管特性曲線圖基極電流Ib所做出集電極電流Ic，與三極管集射極壓降Vce對應(yīng)關(guān)系的一條直線，這條直線就稱為負(fù)載線。負(fù)載線與特性曲線結(jié)合起來可以決定三極管工作區(qū)，比如負(fù)載電阻Rc = 1K，基極電流Ib = 80mA，此時(shí)三極管工作在臨界飽和點(diǎn)，曲線圖中C點(diǎn)位置；

48、當(dāng)基極電流Ib = 40mA，此時(shí)三極管工作在放大區(qū)，曲線圖中Q點(diǎn)位置；基極電流Ib > 80mA，此時(shí)三極管工作在飽和區(qū)，曲線圖中A點(diǎn)位置；基極電流Ib = 0mA，此時(shí)三極管工作在截止區(qū)，曲線圖中B點(diǎn)位置。從負(fù)載線中也可以看出，負(fù)載電阻Rc越大，三極管越容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，反之三極管越不容易飽和。建立了三極管基本工作概念后，就可以對三極管開關(guān)特性進(jìn)行描述。三極管開關(guān)過程和二極管一樣，它說明當(dāng)三極管工作時(shí)候，從飽和狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換過程需要一定時(shí)間。引起該時(shí)間的原因，來自于三極管內(nèi)部在p n結(jié)上電荷建立和消散過程。由于在數(shù)字電路中，只需要使用三極管截止和飽和狀態(tài)，不需要使用三極管放大狀態(tài)

49、，所以這兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換速度就決定了數(shù)字系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可用性。通過圖1.20等效電路來了解三極管開關(guān)特性。（1）等效電路 （2）電壓和電流波形 三極管開關(guān)特性示意圖當(dāng)輸入電壓Vin突然從-1.3V跳變到+1.8V時(shí)，三極管還不能立即導(dǎo)通，而需要經(jīng)過一個(gè)延遲時(shí)間td，再經(jīng)過一個(gè)上升時(shí)間tr后，三極管才能進(jìn)入飽和狀態(tài)。所以這兩個(gè)時(shí)間之和就稱為三極管開啟時(shí)間，用ton表示，即ton = td + tr。其中延遲時(shí)間td表示輸入信號從-向變化這一時(shí)刻開始，直到集電極電流上升到開啟三極管工作所對應(yīng)這段時(shí)間稱為延遲時(shí)間。上升時(shí)間tr表示從集電極電流引起三極管工作這個(gè)時(shí)間起，到集電極電流上升到三極管飽和工作所

50、對應(yīng)這段時(shí)間時(shí)稱為上升時(shí)間。當(dāng)輸入電壓Vin-1.3V時(shí)，三極管也不能立即關(guān)閉，它先需要經(jīng)過一個(gè)延遲時(shí)間ts，然后再經(jīng)過一個(gè)下降時(shí)間tf后，三極管才能從飽和狀態(tài)返回到截止?fàn)顟B(tài)。所以這兩個(gè)時(shí)間之和就稱為三極管關(guān)閉時(shí)間，用toff表示，即toff = ts+ tf。其中存儲時(shí)間ts表示輸入信號開始向負(fù)跳變，到三極管開始退出飽和區(qū)所需要時(shí)間稱為存儲時(shí)間。下降時(shí)間tf表示輸入信號負(fù)跳變結(jié)束后，三極管從飽和區(qū)到截止區(qū)變化時(shí)間稱為下降時(shí)間。從上述描述可以知道，開啟時(shí)間就是三極管p n結(jié)充電和基區(qū)電荷需要所建立時(shí)間，而關(guān)閉時(shí)間就是清除三極管內(nèi)部存儲電荷時(shí)間。因此影響三極管開關(guān)時(shí)間因素首先取決于三極管內(nèi)部構(gòu)造

51、。在基于開關(guān)模式下的三極管，由于內(nèi)部摻金作用，引起三極管關(guān)閉時(shí)間大大加快，所以這類三極管開關(guān)特性非常好。因?yàn)榧呻娐范际窃诠杵贤ㄟ^光刻來實(shí)現(xiàn)電阻、電容、二極管和三極管的，所以三極管內(nèi)在因素也構(gòu)成了集成電路的一些限制，任何一種集成電路都在使用手冊中都詳細(xì)描述了它的各種參數(shù)，使用時(shí)設(shè)計(jì)者將依據(jù)這些參數(shù)來針對不同需求數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.2.5 晶體三極管三種連接方法由于三極管只有三個(gè)電極，當(dāng)三極管被連接到電路時(shí)，其中要有兩個(gè)電極作為輸入信號輸入端，同時(shí)也要兩個(gè)電極作為輸出信號輸出端，這樣必將有一個(gè)電極作為輸入和輸出信號共享信號端。因此使用不同電極作為輸入、輸出信號端共享方式，就形成了三極管的不同

52、連接方式，因此不同連接方式產(chǎn)生的電路性能將有所不同。1.共發(fā)射極電路連接結(jié)構(gòu)。共發(fā)射極連接方式也稱為共射電路，連接結(jié)構(gòu)如圖1.21。這種電路結(jié)構(gòu)既有電流放大作用，也有電壓的放大作用，因此它的功率放大能力最強(qiáng)，它可以用較小的功率來控制很大的功率，所以這種電路結(jié)構(gòu)在數(shù)字電路和線性電路中都得到非常廣泛的應(yīng)用。 2.共基極電路連接結(jié)構(gòu)。 該電路連接結(jié) 圖1.21 共射電路結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖1.22所示。在這種電路結(jié)構(gòu)中，如果輸入電壓Vin為負(fù)電位，此時(shí)三極管將會處于導(dǎo)通狀態(tài)，即射極電流Ie =（| Vin | - Vbe）/ Re，如果輸入電壓Vin遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)射結(jié)電壓Vbe，此時(shí)電路射極電流Ie »

53、 | Vin | / Re。因此在這種情況下，射極電流將由外電路的電源電壓和射極電阻來決定，所以它可以獲得非常穩(wěn)定的電流表現(xiàn)。在共基極電路連接結(jié)構(gòu)中，共基電流放 圖 共基極電路連接結(jié)構(gòu)大系數(shù)a在三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，它接 近于“1”，所以電路中三極管基極電流Ib很小。由于a變化波動很小，因此集電極電流Ic也相對比較穩(wěn)定。 這種共基極電路連接方式在數(shù)字系統(tǒng)中經(jīng)常被用來作為一個(gè)提供穩(wěn)定電流的恒流源，利 用它來產(chǎn)生比較穩(wěn)定的集電極電流Ic。因此這種連接方式的一個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)就是三極管截止頻率高，動態(tài)特性很好。但這種連接方式是利用損失電流放大作用結(jié)果，來換取較好頻率特性效果，所以它一般被用在高頻放大、高

54、頻振蕩電路結(jié)構(gòu)中。 3.共集電極電路連接結(jié)構(gòu)。這種連接方式也稱為射極跟隨器，該電路連接結(jié)構(gòu)如圖1.23所示。這種電路結(jié)構(gòu)使三極管通常都工作在放大區(qū)，所以三極管發(fā)射結(jié)一直是處于正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，三極管基射極電壓Vbe很小，電路輸出電壓Vout跟隨輸入電壓變化而變化，但略小于輸入電壓，這是因?yàn)樵谶@種連接方式中，輸入電壓Vout = Vout + Vbe。這種連接方式優(yōu)點(diǎn)是輸入阻抗很高，它對前級電路來說只提供了很輕的負(fù)載，因此形成的數(shù)字系統(tǒng)將產(chǎn)生很低熱效應(yīng)，便于現(xiàn)代移動數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 而它的輸出阻抗小，表示這種連接方式的電路將可以帶動較大負(fù)載，因此在數(shù)字系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)性地監(jiān)測多種外部設(shè)備。因射極跟隨器具備上述優(yōu)點(diǎn)，所以這 圖1.23 共集電路結(jié)構(gòu)種連接方式經(jīng)常在數(shù)字系統(tǒng)中被用作實(shí)現(xiàn)阻抗匹配地方，以起到信號隔離。1.3 邏輯門電路 作為數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)用，人們經(jīng)常需要對其構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)施加一些外部條件，去控制脈沖信號能否通過這些數(shù)字系統(tǒng)，這種控制條件所需電路機(jī)制就是邏輯門，而門電路基本形式就是“與門”和“或門”兩種。 數(shù)字電路是集成電路技術(shù)最大應(yīng)用領(lǐng)域。由于數(shù)字電路基本形式是由“與”、“或