半导体基础知识PPT课件

1、补：半导体基础知识 半导体基础知识（1） 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 常用：硅Si，锗Ge 两种载流子 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生 显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂 质半导体。 半导体基础知识（2） 半导体基础知识（2） 杂质半导体 N型半导体 多子：自由电子 少子：空穴 半导体基础知识（2） 多子：空穴 少子：自由电子 半导体基础知识（3） PN结的形成 空间电荷区 （耗尽层） 扩散和漂移 半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加正向电压 扩散运动加剧 漂移运动减弱 半导体基础知识（4） PN结的单向

2、导电性 外加反向电压 漂移运动加剧 扩散运动减弱 半导体基础知识（5） PN结的伏安特性 正向导通区 反向截止区 反向击穿区 q nkT V eIi V = )1(= T S T k: 波耳兹曼常数 T: 热力学温度 q: 电子电荷 第三章 门电路 3.1 概述 3.1 概述 门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，如与与门、或或门、非非门、与与 非非门、或非或非门、与或非与或非门、异或异或门 获得高、低电平的基本原理 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 3.2 半导体二极管门电路 P N 3.2.1 半导体二极管的开关特性 高电平：VIH=VCC

3、 低电平：VIL=0 二极管的开关等效电路： 经常采用这经常采用这 种近似方法种近似方法 二极管的动态电流波形： tre：反向恢 复时间 3.2.2 二极管与与门 设VCC = 5V 加到A，B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V 规定3V以上为1 0.7V以下为0 3.2.3 二极管或或门 设VCC = 5V 加到A，B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V 规定高于2.3V为1 低于0V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内部的逻辑单元 S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：

4、漏极 B (Substrate):衬底 氧化物层 半导体层 PN结 3.3 CMOS门电路 一、MOS管的结构和工作原理 金属层 以N沟道增强型为例： 开启电压 二、MOS管的输入特性和输出特性 共源接法 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 可变电阻区 恒流区 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区：vGS 109 截止区 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， ，这个电阻与vGS 的数值有关。 )( DDS 电电阻阻常常数数i 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。 2 GSD)th(GSGS 2 )t

5、h(GS GS DSD )1(= iV V Ii 时，时，当当 转移特性转移特性 是vGS2VGS(th)时的iD的值 三、MOS管的基本开关电路 管管工工作作在在截截止止区区。时时，当当MOS )th(GSGSI V ，截截止止内内阻阻只只要要负负载载电电阻阻 OFFD RVV ，导导通通内内阻阻只只要要负负载载电电阻阻 OND RR0 OLO V则则 四、MOS管的开关等效电路 栅极的输入 电容，数值 约为几皮法。 五、MOS管的四种类型 增强型 大量正离子 导电沟道 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、CMOS反相器的电路结构 P)th(GSN)th(GSP)th(GSN

6、)th(GSDD =VVVVV，且，且设设 N)th(GS2GS 1GSP)th(GSDD1GS V VV 为负）为负）（且（且 当vIVIL0时， N)th(GSDD2GS P)th(GS1GS OLO12 P)th(GSDDI V VVCD 截止截止导通，导通， 段：段： 同时导通同时导通， 段：段： 21 P)th(GSDDIN)th(GS TT VVVBC DDO DDI21 2 1 = 2 1 =T,T V V时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若 DDOHO21 N)th(GSI =TT DDONL 和和分别为分别为控制信号的高、低电平控制信号的高、低电平设设VRR 1=, 0=

7、)1(CC当当 传传输输门门截截止止。呈呈高高阻阻态态 输输入入与与输输出出之之间间均均截截止止、则则则则只只要要 ),10( ,TT,0= 9 21DDI V ,0=, 0=, 1=)2( DDI 时时当当VCC 传传输输门门导导通通。小小于于之之间间呈呈低低阻阻态态与与 至至少少一一个个导导通通。和和在在所所以以 导导通通； 导导通通； ),k1( TT,0 T, T,0 OI 21DDI 2DDIP)th(GS 1N)th(GSDDI V VV VV 利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各 种复杂的逻辑电路。 例：用反相器和传输门构成异或异或门。 四、三态输出的CMOS门电路 时

8、，时，1=NE 时，时，0=NE 输出缓冲器 AY= )(=高阻态高阻态ZY 三态门的用途 3.3.6 CMOS电路的正确使用 留作同学们自学。 3.5.1 双极型三极管的开关特性 （BJT， Bipolar Junction Transistor） 一、双极型三极管的结构 基区薄 低掺杂发射区 高掺杂 集电区 低掺杂 以NPN型为例说明工作原理： 二、三极管的输入特性和输出特性 B ONI B = R V i 2、三极管的输出特性 )(= CEC fi )(= CEC fi 三、双极型三极管的基本开关电路 工作状态分析： 。近似为近似为，截止，截止， 则则设设 0T )2( A ii RiV

9、RiV Rii R VV iiV 三极管工作在放大区三极管工作在放大区所以所以 。于是得到于是得到 流过流过并有对应的并有对应的 产生产生有有后，后，上升至上升至当当 图解分析法： CC BCCCCCCCCE = = C iRV iRViRV R 四、双极型三极管的开关等效电路 五、双极型三极管的动态开关特性 六 、三极管反相器 三极管的基本开关电路就是反相器(非非门)。 【例3.5.1】计算电路参数的设计是否合理。 - -8V 3.3k 10k 1k =20 VCE(sat) = 0.1V VIH=5V VIL=0V +5V 【例3.5.1】计算电路参数的设计是否合理。 将发射极外接电路化为

10、等效的vB与RB电路。 3 . 3 3 .13 8+ = + = k5 . 2=/= I I1 21 EEI IB 21B R RR V RRR V0 . 5=0=T V0 . 2=3 . 3 3 .13 8 0=0= CCOHOC BILI VVi V ，截截止止，所所以以 时时， mA44. 0= V7 . 0= TV8 . 1=3 . 3 3 .13 8+5 5=V5= B BEB B BE BIHI R V i V V 则则得得： 认认为为如如果果用用折折线线等等效效电电路路， 导导通通所所以以时时， V0)sat(=T mA25. 0= )sat( = CEOBSB C CECCCS

11、 BS BS VIi R VVI I I 饱和，饱和，故故 为：为：深度饱和时深度饱和时 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 V7 . 0=PN V2 . 0= V4 . 3= V5= ON IL IH CC V V V V 结开启电压结开启电压 )1=(= )0=(V2 . 0= OHO ILI YV AV )0=(= )1=(V4 . 3= OLO IHI YV AV 需要说明的几个问题： 相相级级。变变化化方方向向相相反反，故故称称倒倒和和的的输输出出 2E2C2 T 或或图图腾腾柱柱输输出出电电路路。 电电路路带带负负载载能能力力，称称推推拉拉式式既既能能降降低低功功耗耗又又

12、提提高高了了 止止。总总有有一一个个导导通通、一一个个截截和和输输出出级级在在稳稳态态下下， 54 TT 可可靠靠地地截截止止。饱饱和和导导通通时时保保证证 抑抑制制负负极极性性干干扰扰脉脉冲冲 452 1 TTD ;D 二、电压传输特性 截止区 线性区 饱和区 转折区 二、电压传输特性 V4 . 3=TTTT V3 . 1,V6 . 0) 2D4BE2RCCOH4521 1BI (1 VVVVV AB 导通导通截止，截止，导通，导通， 段：截止区段：截止区 (2 OI452 I TTT V3 . 1OC2 OC1 RiRV RRV 3、外接负载电阻RL的计算 (max)L IHOH OHCC

13、 L OHIHOHLCC OHO IHOH = + )+( , OC R mInI VV R VmInIRV V II 所所以以 则则 为为保保证证 ，负负载载输输入入电电流流为为截截止止漏漏电电流流为为 门门同同时时截截止止， 3、外接负载电阻RL的计算 (min)L ILLM OLCC L LLOLO IL LM = OC OC R ImI VV R RIV I I 所所以以 不不能能太太小小不不过过大大，且且为为保保证证 负负载载门门输输入入电电流流为为 流流为为门门饱饱和和时时允允许许的的最最大大电电 门门导导通通，当当仅仅一一个个 三、三态输出门电路（Three state Outp

14、ut Gate，TS门） )Z( OHOL ，高阻，高阻，输出有三个状态：输出有三个状态：VV ZYDPNE ABYDPNE =0=1=)2( ) (=1=0=)1( 导通，为“高阻状态”导通，为“高阻状态”， 截止，为“工作状态”截止，为“工作状态”， 三态门的用途 一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 1. 电路的改进 (1)输出级采用复合管（减小输出电阻RO） (2)减少各电阻值 )mW()ns(=Ptdp pd 2 1 )ns( pd t倍倍2)mW(P mW10=ns10=74Pt pd ，系列：系列：标准标准 二、肖特基系列74S/54S（Schottky

15、TTL） 1. 电路改进 (1)采用抗饱和三极管 (2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3 (3)减小电阻值 左左右右至至左左右右，下下降降到到V4 . 0V1 . 1 OLTH VV 三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 复 习 3.1 概述 正逻辑赋值：以高电平表示逻辑1 以低电平表示逻辑0 高低电平都有一个允许的范围。 TTL电路存在一个严重的缺点：功耗比较大。 CMOS电路最突出的优点：功耗极低。 3.2 半导体二极管门电路 二极管伏安特性的几种近似方法： 重点掌握教材P70图3.2.3(b)、(c) 二极管门电路的缺点： 存在电平偏移问题，只用于集成电路内部的逻辑单元。仅仅用二极管门电 路无法制作具有标准化输出电平的集成电路。 复 习 复 习 3.3 CMOS门电路 MOS管的开关等效电路： 复 习 3.3 CMOS门电路 N沟道增强型MOS管导通的基本条件： vGSVGS(th)N VGS(th)N为正 P沟道增强型MOS管导通的基本条件： vGS | | VGS(th)P | | VGS(th)P为负 复 习 3.3 CMOS门电路 漏极开路输出门电路(OD门)： 1.可以实现高低电平的变换; 2.可以将几个OD门的输出端直接相连，实现线与线与逻辑。 复 习 3.3 CMOS门电路 CMOS传输门： C=