第三章数字电子

第三章数字电子第1页，课件共92页，创作于2023年2月一、本征半导体

导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质稳定的结构本征半导体——是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？

导体－－铁、铝、铜等低价金属元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。

绝缘体－－橡皮、陶瓷、塑料等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。

半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。第2页，课件共92页，创作于2023年2月2、本征半导体的结构共价键晶体中原子的排列方式第3页，课件共92页，创作于2023年2月2、本征半导体的结构由于热运动（热激发），具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留下一个空位，称为空穴

自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键

一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。第4页，课件共92页，创作于2023年2月载流子

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。

3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。第5页，课件共92页，创作于2023年2月二、杂质半导体

1.N型半导体磷（P）

N型半导体主要靠自由电子导电。掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子

空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？第6页，课件共92页，创作于2023年2月2.P型半导体硼（B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强.第7页，课件共92页，创作于2023年2月三、PN结的形成及其单向导电性

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。

扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生空间电荷区，形成内电场。第8页，课件共92页，创作于2023年2月PN结的形成

少数载流子在内电场作用下所产生的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动

形成的内电场，不利于扩散运动的继续进行，从而阻止扩散运动的进行。内电场利于漂移运动的进行。第9页，课件共92页，创作于2023年2月PN结加正向电压：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性第10页，课件共92页，创作于2023年2月四、PN结的伏安特性

PN结的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流反向击穿电压温度的电压当量第11页，课件共92页，创作于2023年2月第三章门电路第12页，课件共92页，创作于2023年2月3.1概述门电路：实现基本逻辑运算、复合逻辑运算的单元电路，如与门、或门、非门、与非门、······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0第13页，课件共92页，创作于2023年2月获得高、低电平的基本原理第14页，课件共92页，创作于2023年2月正逻辑：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

高/低电平都允许有一定的变化范围第15页，课件共92页，创作于2023年2月3.2半导体二极管门电路

半导体二极管的结构和符号

（Diode）将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。第16页，课件共92页，创作于2023年2月3.2.1二极管的开关特性：

1、二极管开关电路高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0vI=VIH

D截止，vO=VOH=VCCvI=VIL

D导通，vO=VOL=0.7VVCC=5V第17页，课件共92页，创作于2023年2月2、二极管的开关等效电路：第18页，课件共92页，创作于2023年2月3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111规定2V以上为10.8V以下为03.7V0.7V0.7V0.7V第19页，课件共92页，创作于2023年2月3.2.3二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111规定2V以上为10.8V以下为02.3V2.3V2.3V0V第20页，课件共92页，创作于2023年2月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内部电路第21页，课件共92页，创作于2023年2月3.3CMOS门电路

3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构和工作原理S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层第22页，课件共92页，创作于2023年2月工作原理：（以N沟道增强型为例）

加上

D-S间是两个背向PN结串联，iD=0

第23页，课件共92页，创作于2023年2月工作原理：（以N沟道增强型为例）加上开启电压当足够大至

≥VGS(th)时,D-S间形成N型反型层（导电沟道）

vGS越大，反型层（导电沟道）越厚，导电沟道电阻越小。第24页，课件共92页，创作于2023年2月二、输入特性和输出特性1、输入特性：输入电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。2、输出特性：

iD=f()对应不同的下得一族曲线（漏极特性曲线）。

分三个区恒流区可变电阻区截止区第25页，课件共92页，创作于2023年2月漏极特性曲线（分三个区）（1）截止区：<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω截止区第26页，课件共92页，创作于2023年2月漏极特性曲线（分三个区）（2）恒流区：iD基本上由决定，与

关系不大截止区恒流区第27页，课件共92页，创作于2023年2月截止区恒流区漏极特性曲线（分三个区）（3）可变电阻区：当

较低，

一定时， 这个电阻受

控制、可变。可变电阻区第28页，课件共92页，创作于2023年2月三、MOS管的基本开关电路第29页，课件共92页，创作于2023年2月四、等效电路OFF，截止状态

ON，导通状态第30页，课件共92页，创作于2023年2月五、MOS管的四种类型增强型(1)N沟道(2)P沟道第31页，课件共92页，创作于2023年2月耗尽型(1)N沟道(2)P沟道大量正离子导电沟道第32页，课件共92页，创作于2023年2月3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构输入和输出之间为逻辑非—非门（反向器）T1T2工作时处于互补状态—互补对称式金属-氧化物-半导体电路（CMOS电路）优点：静态功耗小(静态时iD=0)第33页，课件共92页，创作于2023年2月二、电压、电流传输特性T1通T2通第34页，课件共92页，创作于2023年2月三、输入噪声容限第35页，课件共92页，创作于2023年2月结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限第36页，课件共92页，创作于2023年2月3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性74HC系列输入保护电路第37页，课件共92页，创作于2023年2月二、输出特性第38页，课件共92页，创作于2023年2月二、输出特性结论：输出的高、低电平都受负载电流及VDD的影响。第39页，课件共92页，创作于2023年2月3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间第40页，课件共92页，创作于2023年2月二、交流噪声容限因CL、CI的存在，输入为小于tpd的窄脉冲时，幅度远大于直流时才能改变输出。因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。三、动态功耗第41页，课件共92页，创作于2023年2月三、动态功耗

第42页，课件共92页，创作于2023年2月3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路AB状态Y000110111.与非门AB状态Y000110112.或非门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页，课件共92页，创作于2023年2月与非门(或非门)存在的缺点第44页，课件共92页，创作于2023年2月3.带缓冲级的CMOS门解决方法:加反相器（又称缓冲器）第45页，课件共92页，创作于2023年2月二、漏极开路的门电路（OD门）

74HC03第46页，课件共92页，创作于2023年2月第47页，课件共92页，创作于2023年2月RL的计算方法第48页，课件共92页，创作于2023年2月三、CMOS传输门第49页，课件共92页，创作于2023年2月利用CMOS传输门和反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路

例1:异或门AB状态Y00011011

ABTG1TG2YTG1通0TG1通1TG2通1TG2通0第50页，课件共92页，创作于2023年2月例2:双向模拟开关C=0截止；C=1导通第51页，课件共92页，创作于2023年2月四、三态输出门

三态：0、1、高阻01AA0110第52页，课件共92页，创作于2023年2月三态门的用途总线结构数据双向传输第53页，课件共92页，创作于2023年2月3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列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)器件名称举例:74HC0454HC04

74、54为TI公司产品标志

HC为系列名称

04为具体的逻辑功能—六反相器74环境温度：-40～+85℃、54环境温度：-55～+125℃第54页，课件共92页，创作于2023年2月一、双极型三极管的结构与工作原理1.结构:管芯+三个引出电极+外壳3.5TTL门电路

3.5.1双极型三极管的开关特性

第55页，课件共92页，创作于2023年2月基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂集电极基极发射极集电结发射结第56页，课件共92页，创作于2023年2月2.以NPN为例说明工作原理：条件:VCC

>VBBbe结正偏,bc结反偏be结正偏，扩散运动形成IE扩散到b区的电子与空穴复合形成IBbc结反偏，漂移运动形成IC第57页，课件共92页，创作于2023年2月二、三极管的输入特性和输出特性

1.三极管的输入特性曲线（NPN）VON

：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V近似认为:VBE<VONiB=0VBE=VONiB

的大小由外电路电压、电阻决定

VBBRbT+VBE_iB第58页，课件共92页，创作于2023年2月固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE>0.7V(硅管)以后，基本为水平直线

2.三极管的输出特性第59页，课件共92页，创作于2023年2月特性曲线分三个部分放大区：条件VCE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。饱和区：条件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”，深度饱和VCE（sat）＜0.2V。截止区：条件VBE<VON,iB=0,iC

≈0,c—e间“断开”。第60页，课件共92页，创作于2023年2月三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL第61页，课件共92页，创作于2023年2月工作状态分析：第62页，课件共92页，创作于2023年2月图解分析法：第63页，课件共92页，创作于2023年2月四、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态第64页，课件共92页，创作于2023年2月五、三极管的动态开关特性三极管在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。由于PN结存在电容效应。第65页，课件共92页，创作于2023年2月六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是反相器(非门)

实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入端接入负电源VEE。

参数合理VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T饱和导通，VO=VOL第66页，课件共92页，创作于2023年2月3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构

第67页，课件共92页，创作于2023年2月需要说明的几个问题：

第68页，课件共92页，创作于2023年2月二、电压传输特性第69页，课件共92页，创作于2023年2月二、电压传输特性第70页，课件共92页，创作于2023年2月三、输入噪声容限第71页，课件共92页，创作于2023年2月一、输入特性3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性

VCCR14KT1D1be2be5第72页，课件共92页，创作于2023年2月二、输出特性1.高电平输出特性因功耗限制，74系列门电路规定：输出高电平最大负载电流IOH≤0.4mA第73页，课件共92页，创作于2023年2月二、输出特性2.低电平输出特性第74页，课件共92页，创作于2023年2月三、输入端负载特性

2.0vI/V1.001.02.03.04.0Rp/KΩVI=1.4VVCCR14KT1RPbe2be5vI第75页，课件共92页，创作于2023年2月3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象第76页，课件共92页，创作于2023年2月因三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，输入为小于tpd的窄脉冲时，幅度远大于直流时才能改变输出。交流噪声容限远大于直流噪声容限。二、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限第77页，课件共92页，创作于2023年2月三、电源的动态尖峰电流第78页，课件共92页，创作于2023年2月2、动态尖峰电流第79页，课件共92页，创作于2023年2月3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门第80页，课件共92页，创作于2023年2月2.或非门3.与或非门第81页，课件共92页，创作于2023年2月4.异或门第82页，课件共92页，创作于2023年2月二、集电极开路的门电路(OC门)1、推拉式输出电路结构的局限性①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用

OC门可克服上述不足第83页，课件共92页，创作于2023年2月2、OC门的结构特点第84页，课件共92页，创作于2023年2月OC门实现的线与第85页，课件共92页，创作于2023年2月3、外接负载电阻RL的计算第86页，课件共92页，创作于2023年2