數(shù)字集成邏輯電路基礎(chǔ)

1、東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3 3 數(shù)字集成邏輯電路基礎(chǔ)數(shù)字集成邏輯電路基礎(chǔ)數(shù)字集成邏輯電路工藝可分為：數(shù)字集成邏輯電路工藝可分為：晶體管晶體管集成電路集成電路金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路（金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路（MOSMOS工藝）工藝）BiMOSBiMOS工藝工藝砷化鎵工藝砷化鎵工藝磷化銦工藝磷化銦工藝本章主要介紹本章主要介紹晶體管晶體管- -晶體管邏輯電路（晶體管邏輯電路（TTLTTL，Transistor-Transistor LogicTransistor-Transistor Logic）CMOSCMOS電路（電路（Complementary Metal Oxi

2、de Semiconductor)Complementary Metal Oxide Semiconductor)東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 集成電路是將電路制作在晶圓上，也就是將構(gòu)成電路集成電路是將電路制作在晶圓上，也就是將構(gòu)成電路的晶體管、電阻、電容、連線(xiàn)等元器件做在一塊半導(dǎo)體材的晶體管、電阻、電容、連線(xiàn)等元器件做在一塊半導(dǎo)體材料上，構(gòu)成一個(gè)完整的電路。料上，構(gòu)成一個(gè)完整的電路。Jack S KilbyJack S KilbyTexas InstrumentsTexas InstrumentsRobert Norton NoyceRobert Norton Noy

3、ceFairchild SemiconductorFairchild Semiconductor東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2 2吋吋-8-8吋晶圓吋晶圓小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路（SSISSI，2020個(gè)門(mén)以下）個(gè)門(mén)以下）中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路（MSIMSI，幾十，幾十-100-100個(gè)門(mén)）個(gè)門(mén)）大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路（LSILSI，幾百，幾百-1000-1000個(gè)門(mén)）個(gè)門(mén)）超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路（VLSIVLSI，10001000個(gè)門(mén)以上）個(gè)門(mén)以上）芯片系統(tǒng)芯片系統(tǒng)（SOCSOC，包括數(shù)字和模擬電路），包括數(shù)字和模擬電路）Apple A7Ap

4、ple A7包含超過(guò)包含超過(guò)1010億個(gè)晶體管，晶億個(gè)晶體管，晶粒大小為粒大小為102mm102mm東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院數(shù)字集成邏輯電路按工藝可分為：數(shù)字集成邏輯電路按工藝可分為： 雙極型集成電路雙極型集成電路空穴和自由電子都參與導(dǎo)電空穴和自由電子都參與導(dǎo)電 TTLTTL ECLECL（Emitter Coupled LogicEmitter Coupled Logic） HTLHTL（High Threshold LogicHigh Threshold Logic） I I2 2L L （Integrated Inject LogicIntegrated In

5、ject Logic） 單極型集成電路單極型集成電路只有一種載流子導(dǎo)電只有一種載流子導(dǎo)電 MOSMOS東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1 3.1 晶體管的開(kāi)關(guān)特性晶體管的開(kāi)關(guān)特性 在一塊單晶半導(dǎo)體中，一部分摻有受主雜質(zhì)（三價(jià)元素）是在一塊單晶半導(dǎo)體中，一部分摻有受主雜質(zhì)（三價(jià)元素）是 P P型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)（五價(jià)元素）是型半導(dǎo)體，另一部分摻有施主雜質(zhì)（五價(jià)元素）是N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體時(shí)，時(shí)，P P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N N型半導(dǎo)體的交界面附近的過(guò)渡區(qū)稱(chēng)為型半導(dǎo)體的交界面附近的過(guò)渡區(qū)稱(chēng)為PNPN結(jié)。結(jié)。 P P型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離

6、雜質(zhì)。型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)。在電場(chǎng)的作用下在電場(chǎng)的作用下, ,空穴是可以移動(dòng)的空穴是可以移動(dòng)的, ,而電離雜質(zhì)（離子）是固而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動(dòng)的。定不動(dòng)的。 N N型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。在雜質(zhì)型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用相互抵消，因此半導(dǎo)體中，正負(fù)電荷數(shù)是相等的，它們的作用相互抵消，因此保持電中性。保持電中性。3.1.1 PN3.1.1 PN結(jié)結(jié)東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信

7、息科學(xué)與工程學(xué)院+4+4+4+4+4+4+4+4B B東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的空穴和負(fù)離子半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的空穴和負(fù)離子?xùn)|南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院+4+4+4+4+4+4+4+4P P東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院+ + + + + + + + + + + +

8、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子半導(dǎo)體中產(chǎn)生了大量的自由電子和正離子?xùn)|南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 P P型型半半導(dǎo)體導(dǎo)體和和N N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們的交界處就出現(xiàn)了電子電子和空穴的和空穴的濃度差，濃度差，N N型區(qū)內(nèi)的電子多、空穴少，型區(qū)內(nèi)的電子多、空穴少，P P型區(qū)內(nèi)的空穴多而電子少，這樣電型區(qū)內(nèi)的空穴多而電子少，這樣電子和空穴會(huì)從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，因此，有些電子從子和空穴會(huì)從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，因此

9、，有些電子從N N型型區(qū)向區(qū)向P P型區(qū)擴(kuò)散，型區(qū)擴(kuò)散， 也有一些空穴要從也有一些空穴要從P P型區(qū)向型區(qū)向N N型區(qū)擴(kuò)散。型區(qū)擴(kuò)散。 電子和空穴帶有相反的電荷，它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生復(fù)合，結(jié)果使電子和空穴帶有相反的電荷，它們?cè)跀U(kuò)散過(guò)程中要產(chǎn)生復(fù)合，結(jié)果使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)中原來(lái)的電中性被破壞。區(qū)中原來(lái)的電中性被破壞。 P P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的離子，區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的離子，N N區(qū)失去電子留下帶正電的離子。區(qū)失去電子留下帶正電的離子。 這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不能移動(dòng)，這些離子因物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，不能移動(dòng)，因此稱(chēng)為空間電荷，它們集中在因此稱(chēng)為空間電荷，它們集中在P P區(qū)和區(qū)和N N

10、區(qū)的交界面附近，形成了一個(gè)很區(qū)的交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)薄的空間電荷區(qū)（耗盡層耗盡層），這就是所謂的，這就是所謂的PNPN結(jié)結(jié)東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院在空間電荷區(qū)，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)在空間電荷區(qū)，由于正負(fù)電荷之間的相互作用，在空間電荷區(qū)中形成一個(gè)電場(chǎng)，其方向從帶正電的電場(chǎng)，其方向從帶正電的N N區(qū)指向帶負(fù)電的區(qū)指向帶負(fù)電的P P區(qū)，該電場(chǎng)是由載流子擴(kuò)散后區(qū)，該電場(chǎng)是由載流子擴(kuò)散后在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的，故稱(chēng)為在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的，故稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立，將帶來(lái)兩種影響：一是內(nèi)電場(chǎng)是由多

11、子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立，將帶來(lái)兩種影響：一是內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散擴(kuò)散，二是，二是P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的少子一旦接近區(qū)的少子一旦接近PNPN結(jié)，便在內(nèi)電場(chǎng)結(jié)，便在內(nèi)電場(chǎng)的作用下的作用下漂移漂移到對(duì)方，到對(duì)方， 使空間電荷區(qū)變窄。使空間電荷區(qū)變窄。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PNPN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院外加正向電壓外加正向電壓 （正偏），也就是電源正極接（正偏），也就是電源正極接P P區(qū)，負(fù)極接區(qū)，

12、負(fù)極接N N區(qū)，外電場(chǎng)的方向與內(nèi)區(qū)，外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。在外電場(chǎng)作用下，多子將向結(jié)移動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄，電場(chǎng)方向相反。在外電場(chǎng)作用下，多子將向結(jié)移動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起主要作用。內(nèi)電場(chǎng)被削弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起主要作用。結(jié)果，區(qū)的多子空穴將源源不斷的流向區(qū)，而區(qū)的多子自由電子亦不斷流結(jié)果，區(qū)的多子空穴將源源不斷的流向區(qū)，而區(qū)的多子自由電子亦不斷流向區(qū)，這兩股載流子的流動(dòng)就形成了向區(qū)，這兩股載流子的流動(dòng)就形成了PNPN結(jié)的正向電流。結(jié)的正向電流。此時(shí)，有較大的正向擴(kuò)此時(shí)，有較大的正向擴(kuò)散電

13、流，即呈現(xiàn)低電阻，散電流，即呈現(xiàn)低電阻，稱(chēng)稱(chēng)PNPN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院外加反向電壓（反偏），也就是電源正極接外加反向電壓（反偏），也就是電源正極接N N區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接P P區(qū)，外電場(chǎng)的方向與區(qū)，外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。在外電場(chǎng)作用下，多子將背離結(jié)移動(dòng)，結(jié)果使空間電荷內(nèi)電場(chǎng)方向相同。在外電場(chǎng)作用下，多子將背離結(jié)移動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)被增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散，漂移運(yùn)動(dòng)起區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)被增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散，漂移運(yùn)動(dòng)起主要作用。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移電流的方向與正向電流相反，稱(chēng)為反向電流。主要作

14、用。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移電流的方向與正向電流相反，稱(chēng)為反向電流。因少子濃度很低，反向電流遠(yuǎn)小于正向電流。當(dāng)溫度一定時(shí)，少子濃度一定，因少子濃度很低，反向電流遠(yuǎn)小于正向電流。當(dāng)溫度一定時(shí)，少子濃度一定，反向電流幾乎不隨外加電壓而變化，故稱(chēng)為反向飽和電流。反向電流幾乎不隨外加電壓而變化，故稱(chēng)為反向飽和電流。此時(shí)，此時(shí)，只有很小的只有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， 稱(chēng)稱(chēng)PNPN結(jié)截止結(jié)截止。3.1.2 3.1.2 二極管的開(kāi)關(guān)特性二極管的開(kāi)關(guān)特性 雙極型二極管的開(kāi)關(guān)特性實(shí)際上源于其單向?qū)щ娦裕菍?duì)其伏安特性的近雙極型二極管的開(kāi)關(guān)特性實(shí)際上源于其單向?qū)щ娦?，是?duì)其伏安特性的近

15、似，通過(guò)控制二極管兩端的電壓可以控制流過(guò)電流與否，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。似，通過(guò)控制二極管兩端的電壓可以控制流過(guò)電流與否，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。) 1() 1(TVvSkTqvSDeIeIiPNPN結(jié)正向偏置（結(jié)正向偏置（v0v0）且）且vVvVT T時(shí)時(shí)PNPN結(jié)反向偏置（結(jié)反向偏置（v0vV|v|VT T時(shí)時(shí)東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院二極管的伏安特性可以看出：二極管的伏安特性可以看出： 二極管是一種非線(xiàn)性元件，它的正向特性和反向特性都是非線(xiàn)性的。二極管是一種非線(xiàn)性元件，它的正向特性和反向特性都是非線(xiàn)性的。 二極管具有單向?qū)щ娦阅埽炊O管具有單向?qū)щ娦阅?，即PNPN結(jié)正向?qū)〞r(shí)電

16、阻很少，反向截止時(shí)結(jié)正向?qū)〞r(shí)電阻很少，反向截止時(shí)電阻很大。電阻很大。 正向?qū)〞r(shí)，管子的正向壓降很少，一般情況下，硅管約為正向?qū)〞r(shí)，管子的正向壓降很少，一般情況下，硅管約為0.7V0.7V，鍺管，鍺管約為約為0.3V0.3V左右。左右。 硅二極管與鍺二極管的主要區(qū)別在于：鍺管的正向電流比硅管上升得快，硅二極管與鍺二極管的主要區(qū)別在于：鍺管的正向電流比硅管上升得快，正向壓降較小。但鍺管的反向電流比硅管的反向電流大得多，鍺管受溫正向壓降較小。但鍺管的反向電流比硅管的反向電流大得多，鍺管受溫度的影響比較明顯。度的影響比較明顯。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1.3 3.1

17、.3 雙極型晶體管（雙極型晶體管（BJTBJT管）的開(kāi)關(guān)特性管）的開(kāi)關(guān)特性 三極管的放大作用就是：集電極三極管的放大作用就是：集電極（C C極）極）電流受基極電流受基極（B B極）極）電流的控電流的控制（假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話(huà)），并且基極電流很小制（假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話(huà)），并且基極電流很小的變化，會(huì)引起集電極電流很大的變化，且變化滿(mǎn)足一定的比例關(guān)系：集的變化，會(huì)引起集電極電流很大的變化，且變化滿(mǎn)足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的電極電流的變化量是基極電流變化量的 倍，即電流變化被放大了倍，即電流變化被放大了 倍，把倍，把 叫做三極管的放

18、大倍數(shù)。叫做三極管的放大倍數(shù)。三極管是電流放大器件三極管是電流放大器件東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 放大狀態(tài)放大狀態(tài)時(shí)時(shí)BEBE結(jié)正偏結(jié)正偏，BCBC結(jié)反偏；結(jié)反偏； 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)時(shí)BEBE結(jié)不導(dǎo)通結(jié)不導(dǎo)通，BCBC結(jié)隨便偏置；結(jié)隨便偏置； 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)時(shí)時(shí)BEBE結(jié)正偏，結(jié)正偏，BCBC結(jié)趨向結(jié)趨向0 0偏或正偏；偏或正偏；三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)當(dāng)輸入為低電平，即當(dāng)輸入為低電平，即V VININ=V=VILIL=0V=0V時(shí)，基極與發(fā)時(shí)，基極與發(fā)射極之間零偏，與集電極之間反偏，此時(shí)射極之間零偏，與集電極之間反偏，此時(shí)BJTBJT管自集電極向

19、下看幾乎沒(méi)有電流，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)管自集電極向下看幾乎沒(méi)有電流，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，三極管截止。因此斷開(kāi)，三極管截止。因此i iC C00， v vOUTOUT= =V VCCCC- -i iC CR RC CVVCCCC，輸出為高電平。，輸出為高電平。當(dāng)輸入為高電平，即當(dāng)輸入為高電平，即v vININ=V=VIHIH=5V=5V時(shí)，則基極與時(shí)，則基極與發(fā)射極正偏，從而發(fā)射極正偏，從而v vOUTOUT=0V=0V東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 BJTBJT的開(kāi)關(guān)時(shí)間包括開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，是由于三極管在飽和態(tài)與截止態(tài)的開(kāi)關(guān)時(shí)間包括開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，是由于三極管在飽和態(tài)與截止態(tài)之

20、間切換所致。之間切換所致。 顯而易見(jiàn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間限制了顯而易見(jiàn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間限制了BJT開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)的速度。速度。BJT開(kāi)關(guān)應(yīng)用的場(chǎng)合速度越高，開(kāi)關(guān)應(yīng)用的場(chǎng)合速度越高，就要求開(kāi)關(guān)時(shí)間越短。就要求開(kāi)關(guān)時(shí)間越短。 要縮短要縮短BJT的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小基區(qū)的開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小基區(qū)寬度，縮短載流子渡越時(shí)間；也可以減寬度，縮短載流子渡越時(shí)間；也可以減小發(fā)射結(jié)、集電結(jié)面積，從而減小極間小發(fā)射結(jié)、集電結(jié)面積，從而減小極間寄生電容，提高速度；寄生電容，提高速度； 另外，適當(dāng)選擇基極正、反偏電流以及另外，適當(dāng)選擇基極正、反偏電流以及臨界飽和電流，也可利于臨界飽和電流，也可利于BJT狀態(tài)的切狀態(tài)的切換，改善動(dòng)態(tài)特性，提

21、高速度。換，改善動(dòng)態(tài)特性，提高速度。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1.4 3.1.4 場(chǎng)效應(yīng)管（場(chǎng)效應(yīng)管（MOSMOS管）的開(kāi)關(guān)特性管）的開(kāi)關(guān)特性 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect TransistorField Effect Transistor，F(xiàn)ETFET）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管，由多數(shù)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管，由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管 具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?/p>

22、等優(yōu)點(diǎn) 輸入電阻很大；溫度穩(wěn)定性較好；組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于輸入電阻很大；溫度穩(wěn)定性較好；組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù)三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù) 場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFETJFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOSMOS管）兩大管）兩大類(lèi)類(lèi) 按溝道材料型和絕緣柵型各分按溝道材料型和絕緣柵型各分N N溝道和溝道和P P溝道兩種；按導(dǎo)電方式：耗盡型與溝道兩種；按導(dǎo)電方式：耗盡型與增強(qiáng)型，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型；而增強(qiáng)型，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型；而MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為N

23、N溝耗盡溝耗盡型和增強(qiáng)型；型和增強(qiáng)型；P P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類(lèi)。溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類(lèi)。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院工作原理：工作原理：N N溝道：當(dāng)溝道：當(dāng)U UGSGS 大于導(dǎo)通電壓時(shí)，大于導(dǎo)通電壓時(shí)，D-SD-S極導(dǎo)通極導(dǎo)通P P溝道：當(dāng)溝道：當(dāng)U UGSGS 小于導(dǎo)通電壓小于導(dǎo)通電壓0 0時(shí)，時(shí)，D-SD-S極導(dǎo)通極導(dǎo)通S (Source)：源極：源極G (Gate)：柵極：柵極D (Drain)：漏極：漏極B (Substrate):襯底襯底東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院當(dāng)在當(dāng)在NMOSNMOS的柵上施加相對(duì)于源的正電壓的柵上施加相對(duì)

24、于源的正電壓V VGSGS時(shí)時(shí) 當(dāng)當(dāng)V VGSGS比較小時(shí)，柵上的正電荷還不能使硅比較小時(shí)，柵上的正電荷還不能使硅- -二氧化硅界面處積累可運(yùn)動(dòng)的電子電荷，這二氧化硅界面處積累可運(yùn)動(dòng)的電子電荷，這是因?yàn)橐r底是是因?yàn)橐r底是P P型的半導(dǎo)體材料，其中的多數(shù)型的半導(dǎo)體材料，其中的多數(shù)載流子是正電荷空穴，柵上的正電荷首先是載流子是正電荷空穴，柵上的正電荷首先是驅(qū)趕表面的空穴，使表面正電荷耗盡，形成驅(qū)趕表面的空穴，使表面正電荷耗盡，形成帶固定負(fù)電荷的耗盡層帶固定負(fù)電荷的耗盡層 當(dāng)當(dāng)V VGSGS電壓太低時(shí)，感應(yīng)出來(lái)的負(fù)電荷較少，電壓太低時(shí)，感應(yīng)出來(lái)的負(fù)電荷較少，它將被它將被P P型襯底中的空穴中和，因此

25、在這種情型襯底中的空穴中和，因此在這種情況時(shí)，漏源之間仍然無(wú)電流況時(shí)，漏源之間仍然無(wú)電流I IDD 當(dāng)當(dāng)V VGSGS增加到一定值時(shí)，其感應(yīng)的負(fù)電荷增加到一定值時(shí)，其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個(gè)分離的把兩個(gè)分離的N N區(qū)溝通形成區(qū)溝通形成N N溝道，這個(gè)溝道，這個(gè)臨界電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓臨界電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓( (或稱(chēng)閾值電壓、或稱(chēng)閾值電壓、門(mén)限電壓門(mén)限電壓) )，用符號(hào)，用符號(hào)V VT T表示表示( (一般規(guī)定在一般規(guī)定在I ID D10uA10uA時(shí)的時(shí)的V VGSGS作為作為V VT T) ) 當(dāng)當(dāng)V VGSGS繼續(xù)增大，負(fù)電荷增加，導(dǎo)電溝道繼續(xù)增大，負(fù)電荷增加，導(dǎo)電溝道擴(kuò)大，電阻降低，擴(kuò)大，電阻降低，

26、I ID D也隨之增加，并且呈也隨之增加，并且呈較好線(xiàn)性關(guān)系較好線(xiàn)性關(guān)系東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：柵極加正電壓（簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：柵極加正電壓（V VGSGSVVT T），形成縱向電場(chǎng)，吸引電子、排斥），形成縱向電場(chǎng)，吸引電子、排斥空穴，在柵氧化層下形成電子導(dǎo)電溝道，將源極和漏極連起來(lái)；漏極加正電空穴，在柵氧化層下形成電子導(dǎo)電溝道，將源極和漏極連起來(lái)；漏極加正電壓壓(V(VDSDS0)0)，形成橫向電場(chǎng)，電子逆著電場(chǎng)方向漂移到漏極，形成漏極到源，形成橫向電場(chǎng)，電子逆著電場(chǎng)方向漂移到漏極，形成漏極到源極的電流。極的電流。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科

27、學(xué)與工程學(xué)院MOSMOS管的開(kāi)關(guān)特性管的開(kāi)關(guān)特性 當(dāng)當(dāng)V Vi i=V=ViLiL時(shí)，時(shí)，V VGSGS=V=ViLiLVVVT T，MOSMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，合理選擇管處于導(dǎo)通狀態(tài)，合理選擇V VDDDD和和R RDD，使，使I IDD足夠大，輸出足夠大，輸出V Vo o=V=VOLOL=V=VDDDD-I -ID DR RD D 為得到足夠低的為得到足夠低的V VOLOL，要求，要求R RD D很大，在實(shí)際電路中，常用另一個(gè)很大，在實(shí)際電路中，常用另一個(gè)MOSMOS管來(lái)做管來(lái)做負(fù)載負(fù)載，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通狀態(tài)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通狀態(tài)東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 MOSMOS

28、管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過(guò)渡過(guò)程，但其動(dòng)態(tài)特管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)同樣存在過(guò)渡過(guò)程，但其動(dòng)態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時(shí)間，而管子本身導(dǎo)性主要取決于與電路有關(guān)的雜散電容充、放電所需的時(shí)間，而管子本身導(dǎo)通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的通和截止時(shí)電荷積累和消散的時(shí)間是很小的 由于由于MOSMOS管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻管導(dǎo)通時(shí)的漏源電阻r rDSDS比晶體三極管的飽和電阻比晶體三極管的飽和電阻r rCESCES要大得多，要大得多，漏極外接電阻漏極外接電阻R RD D也比晶體管集電極電阻也比晶體管集電極電阻R RC C大，所以，大，所以，MOSMOS管

29、的充、放電管的充、放電時(shí)間較長(zhǎng)，使時(shí)間較長(zhǎng)，使MOSMOS管的開(kāi)關(guān)速度比晶體三極管的開(kāi)關(guān)速度低。不過(guò)，在管的開(kāi)關(guān)速度比晶體三極管的開(kāi)關(guān)速度低。不過(guò)，在CMOSCMOS電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，其充、放電過(guò)程電路中，由于充電電路和放電電路都是低阻電路，其充、放電過(guò)程都比較快，從而使都比較快，從而使CMOSCMOS電路有較高的開(kāi)關(guān)速度電路有較高的開(kāi)關(guān)速度東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.1.5 MOS3.1.5 MOS模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)（1 1）單溝道模擬開(kāi)關(guān)單溝道模擬開(kāi)關(guān)通常在通常在MOSMOS管的管的柵極柵極加控制開(kāi)關(guān)通斷的信號(hào)加控制開(kāi)關(guān)通斷的信號(hào)V VC

30、 C，源極源極接模擬信號(hào)輸入接模擬信號(hào)輸入V VI I，漏極漏極輸出輸出V VOO。對(duì)于在模擬電路的應(yīng)用，這類(lèi)開(kāi)關(guān)有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：為了保證管子工。對(duì)于在模擬電路的應(yīng)用，這類(lèi)開(kāi)關(guān)有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：為了保證管子工作在大信號(hào)狀態(tài)，柵源電壓作在大信號(hào)狀態(tài)，柵源電壓V VC C-V-VI I在在V VC C為高時(shí)，須高于飽和區(qū)與線(xiàn)性區(qū)交界電壓為高時(shí)，須高于飽和區(qū)與線(xiàn)性區(qū)交界電壓V VGS(L)GS(L)，在，在V VC C為低時(shí)須低于閾值電壓為低時(shí)須低于閾值電壓V VT T，這就限制模擬信號(hào)的最大值不得超過(guò)，這就限制模擬信號(hào)的最大值不得超過(guò)V VHH-V-VGS(L) GS(L) ，最小值不得低于，最

31、小值不得低于V VL L- V- VT T ，限制了模擬信號(hào)的變化范圍，否則，限制了模擬信號(hào)的變化范圍，否則MOSMOS管管將進(jìn)入飽和區(qū)，開(kāi)關(guān)等效電阻隨漏源電壓變化而變化，不利于信號(hào)傳輸。將進(jìn)入飽和區(qū)，開(kāi)關(guān)等效電阻隨漏源電壓變化而變化，不利于信號(hào)傳輸。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院（2 2）CMOSCMOS模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān) CMOS CMOS雙向模擬開(kāi)關(guān)又叫雙向模擬開(kāi)關(guān)又叫CMOSCMOS傳輸門(mén)傳輸門(mén)，是對(duì)于單溝道模擬開(kāi)關(guān)的改進(jìn)。，是對(duì)于單溝道模擬開(kāi)關(guān)的改進(jìn)?？梢酝瑫r(shí)使用可以同時(shí)使用N N溝道溝道MOSMOS管與管與P P溝道溝道MOSMOS管作為開(kāi)關(guān)。將兩管源、漏交叉相

32、連管作為開(kāi)關(guān)。將兩管源、漏交叉相連，柵極加相反的控制信號(hào)，使得兩管電源電壓極性與電流方向均相反，組成互，柵極加相反的控制信號(hào)，使得兩管電源電壓極性與電流方向均相反，組成互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。制造時(shí)應(yīng)使兩管參數(shù)完全對(duì)稱(chēng)，如使開(kāi)啟電壓絕對(duì)值相同，進(jìn)入線(xiàn)性補(bǔ)結(jié)構(gòu)。制造時(shí)應(yīng)使兩管參數(shù)完全對(duì)稱(chēng)，如使開(kāi)啟電壓絕對(duì)值相同，進(jìn)入線(xiàn)性電阻區(qū)時(shí)的柵源電壓絕對(duì)值與線(xiàn)性電阻值相同，等等。電阻區(qū)時(shí)的柵源電壓絕對(duì)值與線(xiàn)性電阻值相同，等等。假設(shè)兩管開(kāi)啟電壓假設(shè)兩管開(kāi)啟電壓|V|VGS(GS(thth) )|= 2V|= 2V，進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)的，進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)的柵源電壓柵源電壓|V|VGSGS |=3V |=3V，控制信號(hào)的兩個(gè)值為，控制信號(hào)的

33、兩個(gè)值為0V0V和和5V5V，同時(shí)輸入電壓，同時(shí)輸入電壓V VI I在在0 05V5V范圍內(nèi)變化。范圍內(nèi)變化。EN=0VEN=0V，兩管均截止，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；兩管均截止，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；EN=5VEN=5V，此時(shí)若此時(shí)若V VI I 3V3V，則，則T T1 1管導(dǎo)通并工作于管導(dǎo)通并工作于線(xiàn)性區(qū)、線(xiàn)性區(qū)、T T2 2管截止；若管截止；若V VI I 2V2V，則，則T T1 1管截止、管截止、T T2 2管導(dǎo)通并工作于線(xiàn)性區(qū)；若管導(dǎo)通并工作于線(xiàn)性區(qū)；若2V2VV VI I3V3V，則，則T T1 1、T T2 2管均導(dǎo)通并工作于飽和區(qū)，此時(shí)開(kāi)關(guān)的開(kāi)管均導(dǎo)通并工作于飽和區(qū)，此時(shí)開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟電阻相當(dāng)于兩管飽和區(qū)電阻并聯(lián)，電阻值略啟電阻相當(dāng)于兩管飽和區(qū)電阻并聯(lián)，電阻值略大于線(xiàn)性區(qū)電阻，總電阻起伏不大，電阻特性大于線(xiàn)性區(qū)電阻，總電阻起伏不大，電阻特性較理想。較理想。東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3.2 3.2 邏輯門(mén)電路邏輯門(mén)電路 用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的電路常被稱(chēng)為邏輯門(mén)電路用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的電路常被稱(chēng)為邏輯門(mén)電路 基本的邏輯運(yùn)算有與、或、非運(yùn)算，由這三種基本運(yùn)算可復(fù)合出四基本的邏輯運(yùn)算有與、或、非運(yùn)算，由這三種基本運(yùn)算可復(fù)合出四種常用復(fù)合邏