第二章集成逻辑门电路(1)资料.ppt

第二章集成逻辑门电路,掌握典型TTL、CMOS门电路的逻辑功能、特性、主要参数和使用方法。,基本内容和要求,了解TTL、CMOS门电路的组成和工作原理。,了解半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性。,了解ECL等其他逻辑门电路的特点。,2.1半导体器件的开关特性2.1.1晶体二极管的开关特性一个理想开关具有这样的特性：闭合时，开关两端的电压为0，开关两端点间呈现的电阻也为0；断开时，流过开关的电流为0，开关两端点间的电阻为无穷大；而且开关的接通或断开动作转换可以在瞬间完成。但实际中，并不存在这样的理想开关。,晶体二极管在近似的开关电路分析中可以当作一个理想开关来分析，但它与理想开关是有区别的。1、二极管稳态开关特性电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性称为稳态开关特性。二极管的伏安特性曲线如图2.1.1(b)所示。,图2.1.1二极管的伏安特性,描述该特性的方程为：图中的Vth称为正向开启电压(或称为门限电压、阈值电压)。一般硅管的Vth为0.60.7V;锗管的Vth为0.20.3V。当外加正向电压大于Vth时，正向电流随电压的增加按指数规律增加，二极管开始导通。,由于二极管的伏安特性曲线在电压为Vth处已经很陡，在一段范围内，电流有较大变化时，二极管的端电压保持在Vth左右。因此，把二极管正向电压大于Vth作为二极管导通的条件。,当外加正向电压小于Vth，或者外加反向电压时，vD很小或小于0，则，流过二极管的电流iD=IS。IS称为反向饱和电流，一般硅管的IS为10151010A；锗管的IS为1010107A。IS数值都很小，通常可忽略不计。此时，二极管相当于一个很大的电阻，可近似认为是开路。因此，把二极管端电压小于Vth作为二极管截止的条件。,当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化，如图2.1.1(c)所示。当正向偏置时，二极管导通，压降为Vth，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流IS，非常小，相当于开关断开。,由此可得出结论：在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一定差异。主要表现为，二极管开关闭合时，两端仍有电位降落；开关断开时，存在反向电流。此外，二极管的Vth和IS都与温度有关。通常温度每升高1，Vth约减小22.5mV；温度每升高10，反向饱和电流IS约增大一倍。有时把二极管视为理想的开关，即用一个理想开关来等效，截止时认为开路，导通时认为短路。等效电路如图2.1.2所示。,图2.1.2二极管开关等效电路,2、二极管瞬态开关特性电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性称为瞬态开关特性。具体地说，就是晶体管在大信号作用下，由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性。理想二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，没有过渡过程，如图2.1.3所示。,图2.1.3理想二极管开关特性,在图2.1.3所示电路中，二极管D的工作状态由输入电压vI决定。当vI=VF时，二极管导通，二极管两端的正向电压vD0，通过二极管的正向电流iD=IF=VF/R；当vI=VR时，二极管截止,二极管两端的反向电压vD=VR，通过二极管的反向电流iD0。事实上，二极管两端的电压vD不可能像图2.1.3中那样发生突变。图2.1.4为二极管的瞬态开关特性波形。,图2.1.4二极管瞬态开关特性,二极管是由一个PN结构成的，在稳态vI=VF时正向导通，在外加反向电压vI=VR时，D反向截止，PN结空间电荷区变宽，iD很小。当tt1时，外加正向电压vI=VF，P区中的空穴向N区扩散，N区中的电子向P区扩散，这样不但使空间电荷区变窄，而且使多子在对方区域存储，建立起一定的少数载流子浓度分布。此时二极管D稳定工作在导通状态，导通电压为vD0.60.7V(以硅管为例)，导通电流iD=IF=(VF-vD)/RVF/R。,当t=t1时，外加电压vI由VF向下突变为VR，P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失，在反向电压作用下，P区的电子被拉回N区，N区的空穴被拉回P区，形成反向漂移电流，iD=IR=(vI-vD)/R-VR/R，使存储电荷不断减少。在这些存储电荷消失之前，PN结仍处于正向偏置。从vI负跳变开始至反向电流降到0.9IR所需的时间，称为存储时间ts。在这段时间内，PN结维持正向偏置，反向电流IR近似不变。,经过ts时间后，反向电流使存储电荷继续消失，空间电荷区逐渐加宽，二极管转为截止状态。反向电流由IR减小至反向饱和电流值，这段时间称为下降时间tf。通常以从0.9IR下降到0.1IR所需时间确定tf。trr=ts+tf称为反向恢复时间。在tt2期间，二极管反向截止，vD=VR，iD=IS，空间电荷区很宽。,当t=t2时，外加电压vI由VR突变为VF。由于二极管两端电压不能突变，电路中产生瞬时大电流(VR+VF)/R，二极管迅速导通，iD由(VR+VF)/R迅速下降到iD=IF=VF/R。从vI正向跳变到二极管正向导通称为二极管的正向恢复时间，通常用vD的上升时间tr来描述。与trr相比，正向恢复时间小得多，可忽略不计。,由以上分析可知，反向恢复时间trr是影响二极管开关速度的主要原因，它是二极管开关特性的重要参数。由于trr的存在导致开关二极管从导通到截止速度慢，而从截止到导通速度快。,2.1.2晶体三极管的开关特性在模拟电子线路中，晶体三极管常常工作在线性放大状态，而在数字电路中，在大幅度脉冲信号工作下，晶体管交替工作于截止区和饱和区，它作为开关元件使用。1、三极管稳态开关特性图2.1.5为一个NPN单管共射电路。晶体三极管输出伏安特性曲线如图2.1.6所示。,图2.1.5基本单管共射电路,图2.1.6晶体三极管输出特性曲线和负载线,根据VCC和Rc的值可在输出伏安特性上画一条负载线：当vI0时，管子截止，工作在特性曲线的A点；当ib=60A时，若管子的50，则ic=ib3mA，管子处于临界饱和状态，工作在特性曲线的B点。通常把处于临界饱和时的基极电流称为饱和基流，记为Ibs，本例Ibs=60A。当ibIbs时，ic几乎不变，管子进入饱和区，此时的集电极电流称为饱和集电极电流，记为Ics。,在图2.1.5所示电路中，ic的最大值为VCC/Rc，即Ics=VCC/Rc,Ibs=Ics/=VCC/(Rc)。判断三极管是否进入饱和区，就是看是否ibIbs，大得越多，饱和越深。S=ib/Ibs称为饱和系数，S越大，饱和深度越深。,晶体三极管有三个工作状态，以图2.1.5为例总结如下：(1)截止状态。条件：vIVth(Vth为三极管be结的正向开启电压)，此时，发射结和集电结均为反向偏置，即vbve，vbvc。特点：ib0，ic0，vOVCC，晶体管相当于开关断开。,(2)放大状态。条件：vIVth而小于某一数值(约为1V)，此时，发射结正偏，集电结反偏，即vbve，vbvc。特点：三极管T有放大能力，ic=ib，ic的大小与VCC、Rc基本上无关。ib、ic随vI的增加而增加，vO随vI的增加而下降。当vI有一较小的vI变化时，会引起输出电压vO较大的变化，即vO/vI1。,(3)饱和状态。条件：vI大于某一数值(约为1V)，此时，发射结和集电结均为正向偏置，即vbve，vbvc。特点：基极电流足够大，满足ibIbs=(VCC-Vce(sat)/(Rc)，此时vO=Vce(sat)0.3V；ic=(VCC-Vce(sat)/RcVCC/Rc。晶体管c、e之间相当于开关闭合(Vce(sat)为c、e间的饱和压降，很小，约为0.3V)。,表2.1.1给出了三极管在不同工作区的典型结压降。,表2.1.1三极管典型的结压降数据,三极管作为开关管，截止时的等效电路如图2.1.7所示，由于两个结都处于反偏，所以e、b、c三个电极之间开路。三极管饱和时，两个结都处于正偏，结间有小的压降，其等效电路如图2.1.8(a)所示，若忽略结压降，则等效电路可简化为图2.1.8(b)，三个电极之间如同短路一样。,图2.1.7三极管截止时等效电路,图2.1.8三极管饱和时等效电路,2、三极管瞬态开关特性晶体三极管作为开关管运用，其截止和饱和两种工作状态的相互转换不可能在瞬间完成，如同二极管一样，在三极管的开关过程中内部存在电荷的积累和消散过程，因而需要时间。在图2.1.5所示电路中输入脉冲波形vI，其集电极电流ic和输出的波形vO如图2.1.9所示。由该图可以看出，与理想瞬态开关特性相比，实际电路的输出波形会发生畸变，边沿变差。该图给出了几个开关时间参数。,图2.1.9三极管的瞬态开关特性,(1)开关时间当vI从-V跳变+V时，晶体管不能立即导通，要经历一段延迟时间td和一个上升时间tr，集电结电流ic才能接近于最大值Ics。延迟时间td：从vI正跳变开始，至集电结电流ic上升到0.1Ics所需要的时间。上升时间tr：ic从0.1Ics上升到0.9Ics所需要的时间。开通时间ton：ton=td+tr。,当vI从+V跳变-V时，晶体管也不能立即截止，要经历一段存储时间ts和一个下降时间tf，ic才逐渐下降到0。存储时间ts：从vI负跳变开始，至集电结电流ic下降到0.9Ics所需要的时间。下降时间tf：ic从0.9Ics下降到0.1Ics所需要的时间。关断时间toff：toff=ts+tf。,(2)开关时间形成的原因首先分析晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程，即发射结由反偏至正偏过程和集电极电流形成过程。vI由-V+V时，由于结电容的存在，发射结不能立即由反偏跳变至正偏，要经历空间电荷区由宽变窄，电荷量由多变少(等效于结电容放电)的过程。,当发射结偏压由-V上升到0.7V左右，T导通，发射区开始向基区注入电子并扩散至集电结，形成集电极电流，这个过程所需要的时间即为延迟时间td。延迟时间td的长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。三极管结电容越小，td越短；三极管截止时反偏越大，td越长；正向驱动电流越大，td越短。,在延迟时间td后，发射区不断向基区注入电子，并扩散至集电结，形成集电极电流，同时在基区累积。电子浓度在基区不断增加，ic也逐渐加大。上升时间tr就是ic从0.1Ics上升到0.9Ics基区内电子电荷累积所需要的时间。tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。基区宽度w越小，tr越小；基极驱动电流越大，tr越短。,再来分析晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程，即驱散基区多余存储电荷及驱散基区存储电荷的过程。当vI=+V时，三极管T稳定工作于饱和状态，ibIbs，集电结也正偏，集电区不能收集从发射区注入到基区的全部电子，在基区形成了多余电子积累QBS。vI由+V-V，多余电子积累QBS和基区存储电荷QB均不能立即消散。在QBS未消失之前，ic就维持Ics不变，T仍饱和。,在-V作用下，随着QBS的减少，饱和深度变浅，QBS全部消失后，基区电子分布回到ic=Ics对应的基区电子浓度，T脱离饱和。ts就是多余存储电荷QBS消失所需的时间。饱和度越深，QBS越多，ts越长；基极反向驱动电流越大，QBS消失越快，ts越短。,QBS消失后，集电结由正偏转向反偏，基极反向驱动电流-ib使基区电子浓度越来越少，ic也逐渐减少。T由导通变为截止。ic从0.9Ics减少至0.1Ics所需的时间就是下降时间tf。反向驱动电流越大，tf越短。,由上述分析可以看出，td、tr、ts和tf这四个时间参数都是以集电极电流的变化情况来测定的。通常td较小，ts随饱和深度而变化。当饱和较深时，ts相对于td、tr和tf时间最长，成为影响三极管开关工作速度的主要原因。ton和toff的时间长短与管子本身特性有关，也与管子的使用情况有关。正向基极电流ib越大，ton越短，但这又会使管子饱和深度加深，toff加长；相反，反向基极电流加大，可使toff缩短。,2.1.3MOS管的开关特性上节介绍的晶体管是双极型的，其内部的两种载流子(多子和少子)均参与导电，少子的飘移运动受温度、光照等影响较大，所以其温度特性较差。MOS管是一种单极型半导体器件，其内部只有多子参于导电。这种器件受外部因素影响较小，因此温度稳定性好，又因为MOS管集成工艺简单，工作速度快，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。,1、MOS管的分类MOS管有三个电极：源极S、漏极D和栅极G。由于漏极电流受栅-源电压的控制，故它是电压控制器件。MOS管按其沟道可分为P沟道和N沟道两类，按其工作特性每一类又分为增强型和耗尽型两种。因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型。,若导电沟道是由N型电子形成的，则称为N沟道场效应管或NMOS管；若导电沟道是由P型空穴形成的，则称为P沟道场效应管或PMOS管。栅-源电压vGS为零时漏极电流也为零的管子，均属于增强型管；栅-源电压vGS为零时漏极电流不为零的管子，均属于耗尽型管。表2.1.2列出了四种类型MOS管的特点。,表2.1.2四种类型MOS管的特点,由于NMOS管沟道中的载流子是电子，其迁移率是空穴载流子迁移率的一倍，工作速度较快，因而NMOS管应用十分广泛。下面以N沟道增强型MOS管为例进行讨论。,2、N沟道增强型MOS管的结构及工作原理N沟道增强型MOS管的结构如图2.1.10所示。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，并引出两个电极，分别为源极S和漏极D。在半导体上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2上制作一层金属铝，引出栅极G。G、S和G、D之间均被SiO2绝缘层隔离，因此也叫绝缘栅型场效应管。通常将衬底和源极接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。,图2.1.10N沟道增强型MOS管,当栅-源电压vGS变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。工作原理：当G、S间不加电压时，D、S间是两只背对背的PN结，不存在导电沟道；当vDS=0，且vGS0时，由于SiO2的存在，栅极电流为零。但栅极金属层将聚集正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子，形成耗尽层。另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成D、S之间的导电沟道。,vGS越大，导电沟道越厚，导电沟道电阻越小。这时，若在D、S间加正向电压vDS，则产生漏-源电流iDS。使增强型NMOS管导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为阈值电压(或开启电压)，记为VGS(th)N。对于耗尽型MOS管，其阈值电压为夹断电压，记为VGS(off)N。,当vGSVGS(th)N，管子截止，iDS=0；当vGSVGS(th)N，产生iDS，随着vGS增加，沟道越宽，导电沟道的电阻越小。,3、MOS管的输出特性图2.1.11是N沟道增强型MOS管输出特性曲线。输出特性曲线表示在一定栅-源电压vGS下，漏-源电流iDS和漏-源电压vDS之间的关系。,图2.11N沟道增强型MOS管输出特性曲线,从图中可见，它有三个工作区：截止区、非饱和区和饱和区。(1)截止区条件：vGSVGS(th)N。特点：D-S极之间还没有形成导电沟道，iDS=0，这时，D-S间的内阻Roff可达109以上,管子截止。,(2)非饱和区(或称可变电阻区，图中虚线左边的区域)。条件：vGSVGS(th)N，vDSvGSVGS(th)N。特点：当vGS一定时，iDS与vDS之比近似地等于一个常数，iDS基本随着vDS线性上升，类似于线性电阻的性质，其等效导通电阻Ron的大小和vGS的数值有关，vGS越大，曲线越陡，相应的等效导通电阻Ron越小。,MOS管工作在非饱和区时的电流方程为：,MOS管导通电阻Ron为漏源电压vDS与漏源电流iDS的比值，即：,当vDS趋于0时，MOS管导通电阻Ron和vGS的关系为：,上页最后公式表明，在vGS远大于VGS(th)N的情况下，Ron近似地与vGS成反比。因此，为了得到较小的导通电阻，vGS的取值应尽可能大。(3)饱和区(或称恒流区，图中虚线右边的区域)。条件：vGSVGS(th)N，vDSvGS-VGS(th)N。特点：iDS在达到某一数值时，几乎不随vDS的增加而变化，其大小基本上由vGS决定，进入恒流区，管子饱和。,图中的虚线是满足vDS=vGSVGS(th)N的临界点连接而成的，它作为饱和区和非饱和区的分界线。MOS管工作在饱和时的电流方程为：iDS=kN(vGSVGS(th)N)2可以看出，在vGS远大于VGS(th)N的情况下，iDS近似地与v2GS成正比。,4、转移特性和跨导MOS管的转移特