第三章數(shù)字電子

第三章數(shù)字電子第1頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三一、本征半導(dǎo)體

導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體——是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等低價金屬元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。

絕緣體－－橡皮、陶瓷、塑料等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。第2頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)共價鍵晶體中原子的排列方式第3頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運動（熱激發(fā)），具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留下一個空位，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。共價鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。第4頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三載流子

外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強。

3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。第5頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，電子濃度越高，導(dǎo)電性越強，實現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子

空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？第6頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強.第7頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。擴散運動P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。

擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生空間電荷區(qū)，形成內(nèi)電場。第8頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)的形成

少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。

參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動

形成的內(nèi)電場，不利于擴散運動的繼續(xù)進行，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場利于漂移運動的進行。第9頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)加正向電壓：耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓：耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?0頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三四、PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流反向擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量第11頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三第三章門電路第12頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.1概述門電路：實現(xiàn)基本邏輯運算、復(fù)合邏輯運算的單元電路，如與門、或門、非門、與非門、······門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0第13頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三獲得高、低電平的基本原理第14頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1

高/低電平都允許有一定的變化范圍第15頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.2半導(dǎo)體二極管門電路

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號

（Diode）將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。第16頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.2.1二極管的開關(guān)特性：

1、二極管開關(guān)電路高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0vI=VIH

D截止，vO=VOH=VCCvI=VIL

D導(dǎo)通，vO=VOL=0.7VVCC=5V第17頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2、二極管的開關(guān)等效電路：第18頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.2.2二極管與門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111規(guī)定2V以上為10.8V以下為03.7V0.7V0.7V0.7V第19頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.2.3二極管或門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111規(guī)定2V以上為10.8V以下為02.3V2.3V2.3V0V第20頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二極管構(gòu)成的門電路的缺點電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路第21頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.3CMOS門電路

3.3.1MOS管的開關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層第22頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三工作原理：（以N溝道增強型為例）

加上

D-S間是兩個背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0

第23頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三工作原理：（以N溝道增強型為例）加上開啟電壓當(dāng)足夠大至

≥VGS(th)時,D-S間形成N型反型層（導(dǎo)電溝道）

vGS越大，反型層（導(dǎo)電溝道）越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。第24頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、輸入特性和輸出特性1、輸入特性：輸入電流為0，看進去有一個輸入電容CI，對動態(tài)有影響。2、輸出特性：

iD=f()對應(yīng)不同的下得一族曲線（漏極特性曲線）。

分三個區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)第25頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三漏極特性曲線（分三個區(qū)）（1）截止區(qū)：<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω截止區(qū)第26頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三漏極特性曲線（分三個區(qū)）（2）恒流區(qū)：iD基本上由決定，與

關(guān)系不大截止區(qū)恒流區(qū)第27頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三截止區(qū)恒流區(qū)漏極特性曲線（分三個區(qū)）（3）可變電阻區(qū)：當(dāng)

較低，

一定時， 這個電阻受

控制、可變。可變電阻區(qū)第28頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、MOS管的基本開關(guān)電路第29頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)第30頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三五、MOS管的四種類型增強型(1)N溝道(2)P溝道第31頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三耗盡型(1)N溝道(2)P溝道大量正離子導(dǎo)電溝道第32頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)輸入和輸出之間為邏輯非—非門（反向器）T1T2工作時處于互補狀態(tài)—互補對稱式金屬-氧化物-半導(dǎo)體電路（CMOS電路）優(yōu)點：靜態(tài)功耗小(靜態(tài)時iD=0)第33頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、電壓、電流傳輸特性T1通T2通第34頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、輸入噪聲容限第35頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限第36頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性74HC系列輸入保護電路第37頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性第38頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性結(jié)論：輸出的高、低電平都受負(fù)載電流及VDD的影響。第39頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.3.4CMOS反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間第40頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、交流噪聲容限因CL、CI的存在，輸入為小于tpd的窄脈沖時，幅度遠大于直流時才能改變輸出。因此交流噪聲容限遠大于直流噪聲容限。三、動態(tài)功耗第41頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、動態(tài)功耗

第42頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路AB狀態(tài)Y000110111.與非門AB狀態(tài)Y000110112.或非門T1T3通，T2T4止1T1通，T2止1T3通，T4止1T1T3止，T2T4通0T1T3通，T2T4止1T3止，T4通0T1止，T2通0T1T3止，T2T4通0第43頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三與非門(或非門)存在的缺點第44頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.帶緩沖級的CMOS門解決方法:加反相器（又稱緩沖器）第45頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、漏極開路的門電路（OD門）

74HC03第46頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三RL的計算方法第48頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、CMOS傳輸門第49頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三利用CMOS傳輸門和反相器可以組合成各種復(fù)雜的邏輯電路

例1:異或門AB狀態(tài)Y00011011

ABTG1TG2YTG1通0TG1通1TG2通1TG2通0第50頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三例2:雙向模擬開關(guān)C=0截止；C=1導(dǎo)通第51頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三四、三態(tài)輸出門

三態(tài)：0、1、高阻01AA0110第52頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三態(tài)門的用途總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)?3頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列4000系列(3-18V、100ns、0.5mA)HC/HCT系列(High-SpeedCMOS/High-SpeedCMOS,TTLCompatible)(2-6V/5V、10ns、4mA)AHC/AHCT系列(2-6V/5V、5ns、8mA)LVC系列(Low-VoltageCMOS)(1.65-3.3V、3.8ns、24mA)ALVC系列(1.65-3.3V、2ns、24mA)器件名稱舉例:74HC0454HC04

74、54為TI公司產(chǎn)品標(biāo)志

HC為系列名稱

04為具體的邏輯功能—六反相器74環(huán)境溫度：-40～+85℃、54環(huán)境溫度：-55～+125℃第54頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu):管芯+三個引出電極+外殼3.5TTL門電路

3.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性

第55頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜集電極基極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)第56頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2.以NPN為例說明工作原理：條件:VCC

>VBBbe結(jié)正偏,bc結(jié)反偏be結(jié)正偏，擴散運動形成IE擴散到b區(qū)的電子與空穴復(fù)合形成IBbc結(jié)反偏，漂移運動形成IC第57頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、三極管的輸入特性和輸出特性

1.三極管的輸入特性曲線（NPN）VON

：開啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認(rèn)為:VBE<VONiB=0VBE=VONiB

的大小由外電路電壓、電阻決定

VBBRbT+VBE_iB第58頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三固定一個IB值，即得一條曲線，在VCE>0.7V(硅管)以后，基本為水平直線

2.三極管的輸出特性第59頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三特性曲線分三個部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC=βΔiB。飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”，深度飽和VCE（sat）＜0.2V。截止區(qū)：條件VBE<VON,iB=0,iC

≈0,c—e間“斷開”。第60頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導(dǎo)通，VO=VOL第61頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三工作狀態(tài)分析：第62頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三圖解分析法：第63頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三四、三極管的開關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)第64頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三五、三極管的動態(tài)開關(guān)特性三極管在飽和與截止兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。由于PN結(jié)存在電容效應(yīng)。第65頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三六、三極管反相器三極管的基本開關(guān)電路就是反相器(非門)

實際應(yīng)用中，為保證 VI=VIL時T可靠截止，常在 輸入端接入負(fù)電源VEE。

參數(shù)合理VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T飽和導(dǎo)通，VO=VOL第66頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)

第67頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三需要說明的幾個問題：

第68頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、電壓傳輸特性第69頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、電壓傳輸特性第70頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、輸入噪聲容限第71頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三一、輸入特性3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

VCCR14KT1D1be2be5第72頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性1.高電平輸出特性因功耗限制，74系列門電路規(guī)定：輸出高電平最大負(fù)載電流IOH≤0.4mA第73頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性2.低電平輸出特性第74頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、輸入端負(fù)載特性

2.0vI/V1.001.02.03.04.0Rp/KΩVI=1.4VVCCR14KT1RPbe2be5vI第75頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.5.4TTL反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間1、現(xiàn)象第76頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三因三極管的開關(guān)時間和分布電容的充放電過程，輸入為小于tpd的窄脈沖時，幅度遠大于直流時才能改變輸出。交流噪聲容限遠大于直流噪聲容限。二、交流噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限第77頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三三、電源的動態(tài)尖峰電流第78頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2、動態(tài)尖峰電流第79頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3.5.5其他類型的TTL門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門第80頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2.或非門3.與或非門第81頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三4.異或門第82頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三二、集電極開路的門電路(OC門)1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用

OC門可克服上述不足第83頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三2、OC門的結(jié)構(gòu)特點第84頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三OC門實現(xiàn)的線與第85頁，共92頁，2023年，2月20日，星期三3、外接負(fù)載電阻RL的計算第86頁，共92頁，2023年