第二章 门电路 数字电路基础

耗尽型NMOS管的符号
(c)
输出特性曲线：
如果在栅极上加上正电 压，指向衬底的电场将 增强，沟道加宽。uGS 越大，沟道越宽，漏极 电流越大。
iD / mA ＋6V 4 3 2 1 5 10 (b ) 15 －3V UG S＝＋ 3 V 0V
当uGS<0时，电场减弱， 0 沟道变窄，漏极电流 减小。
G S D
B
增强型NMOS管的符号
(c)
(二) uDS对iD的影响(当uGS>UT且为一确定值时)
当uDS= 0时，沟道里没有电子的定向运动，iD=0； 当uDS＞0但较小（uDS<uGS– UT ）时 ， uGD=uGS – uDS (uGD>UT)，源漏极两端沟道的 厚度不相等。漏极电流iD沿沟 道产生的电压降使沟道内各点 与栅极间的电压不再相等，靠 近源极一端的电压最大，这里 沟道最厚；而漏极一端电压最 小，其值为因而这里沟道最薄。 所以iD随uDS近似呈线性变化。
综上：
增强型NMOS管在uGS＜UT时，不能形成 导电沟道，管子处于截止状态； 只有当uGS≥UT时，才有沟道形成，此时在 漏-源极间加上正向电压uDS，才有漏极电流 产生。 箭头方向从P区指向N型沟道 而且uGS增大时，沟道变厚.
必须在uGS≥UT时 才能形成导电沟道 的MOS管称为 增强型MOS管。
N沟道耗尽型MOSFET
耗尽型NMOS管在制造 过程中就形成了导电沟道， 即uGS=0时就有导电沟道， 所以只要uDS > 0，漏极就 有电流。
D
掺杂在绝缘层 中的正离子 S G D
＋＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋
N＋ N型沟道 P型衬底
N＋
G S
B
衬底引线
耗尽型NMOS管的结构示意图 箭头方向从P型沟道指向N区
这个电场能排斥空穴而吸引电 子，因而使栅极附近的P型衬底 中的空穴被排斥，剩下不能移动 的受主离子(负离子)，形成耗尽 层，同时P衬底中的电子（少子） 被吸引到衬底表面。 当uGS数值较小，吸引电子的 能力不强时，漏-源极之间仍无 导电沟道出现
3. uGS继续增加
uGS增加时，吸引到P衬底表 面的电子就增多，当uGS达到某 一数值时，这些电子在栅极附 近的P衬底表面便形成一个N型 薄层，且与两个N+区相连通， 在漏-源极间形成N型导电沟道， 其导电类型与P衬底相反，故又 称为反型层; uGS越大，电场越强，吸引到 P衬底表面的电子就越多，导电 沟道越厚，沟道电阻越小。 开始出现反型层时的栅-源电压称为开启电压，用UT表示。
O
IC 过流区
过
ICM
安 全
损
耗 区
工作 区
过 压 区
U(BR)CEO
UCE
2. 开关应用举例
(1) uI UI L 2 V
发射结反偏 T 截止
+VCC (12V) Rc + 3V 2.3 k Rb i B iC 2 k
iB 0
iC 0
T
100
+ uo

uO VCC 12 V
试判别二极管的工作 状态及输出电压。
[ 解]
+
-
uI
+
uO
-
uI U I L 2 V 二极管截止 uO = 0 V
uI U I H 3 V 二极管导通 uO = 2.3 V
二、动态特性 1. 二极管的电容效应
结电容 C j 扩散电容 C D 2. 二极管的开关时间 ton — 开通时间 toff — 关断时间
绝 缘 层 N+型半导体 P 衬 底
耗尽区 金属
衬底B
在SiO2绝缘层上 沉积出铝层并引 出栅极G。
由于管子是金属—氧化物—半导体构成， 由于栅极和源极、漏极、衬底之间相互绝缘， 故称绝缘栅场效应管。 故简称MOS场效应管。
增强型NMOS管的工作原理
(一) uGS对iD及导电沟道的控制作用 1. uGS=0
iD /mA 可 uGS = 6V 变 电 阻 恒流区 5V 区
iD /mA
4
uDS = 6V
3
(2) P 沟道
漏极 D
－
+VCC ＋
－
Rb
b c
Rc
＋ uo=+VCC
－
Rb
0.7V
ui=UIHiB≥IBS
b c ＋ ＋
Rc
e
－
0.3V
＋ uo=0.3V
－
e
－
二、动态特性
3 0
uI / V
三极管饱和程度 t of f
t
-2
0.9ICS 0.1ICS 0 3 0.3 0
iC
t
uO / V
t on
t of f
转移特性曲线：
特点： ①当0 < uGS ≤UT 时，iD = 0。
尽管uGS > 0,但无栅流 ②当 uG S >UT 时，导电沟 道形成，iD > 0。 （ iD 为 10μA）
开启电 压UT
外加正栅压越大，沟道 越宽，沟道电阻越小， iD越大，NMOS管处于 导通状态 NMOS管的UT为正值，一般在 2~5V之间
-2V

uI
( 2) uI UI H 3 V
发射结正偏 T 导通
放大还是 饱和？
饱和导通条件：
VCC iB I BS Rc
Rc
+VCC +12V
2 k iC
uI uBE iB ( uBE 0.7 V) Rb
3 0.7 mA 1 mA 2.3
+ 3V 2.3 k -2V
增强型NMOS管的漏极d和源 极s之间有两个背靠背的PN结 即使加上漏-源电压uDS， 而且不论uDS的极性如何， 总有一个PN结处于反偏 状态，漏-源极间没有导 电沟道，只有很小的漂 移电流。这时漏极电流 iD≈0。
2. uGS>0 但uGS<UT （在栅-源极间加上正向电压）
栅极和衬底之间的SiO2绝缘层 中产生一个垂直于半导体表面的 由栅极指向衬底的电场;
数 字 电 子 技 术 基 础 简 明 教 程
第二章
门电路
2.1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性 2.2 分立元器件门电路 2.3 2.4 CMOS集成门电路 TTL集成门电路
概述
门电路是用来实现基本逻辑关系的电子电路， 它是数字电路中最基本的单元。 门电路的主要类型有：与门、或门、与非门、 或非门、异或门等。
t
2. 1. 4 MOS 管的开关特性 MOS（Metal – Oxide – Semiconductor） 金属 – 氧化物 – 半导体场效应管 MOSFET
特点：输入电阻可达 109 以上。 N 沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型
类型
P 沟道
UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管； UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。
N沟道增强型MOSFET 简称增强型NMOS管
源极 S 栅极 漏极 G A1 层 N＋ 耗 尽 层 L P型衬底 B N＋ D 氧化层 (SiO2 )
增强型NMOS管的结构示意图(立体图)
(a )
W
源极S
SiO
2
栅极 G
SiO2
漏极D 利用掺杂浓度较 SiO2 低的P型硅片作基 片（衬底），并 引出电极衬底B 在两个高掺杂浓 度的N型半导体上 引出两个电极： 源极S、漏极D。
2. 1 半导体二极管 、三极管 和 MOS 管的开关特性
2. 1. 1 理想开关的开关特性 一、 静态特性
A S K
1. 断开
ROFF ，I OFF 0
2. 闭合
RON 0， U AK 0
二、动态特性 1. 开通时间： （断开
A
S
K
闭合）
t on 0
断开）
2. 关断时间： （闭合
I D gm 当uDS = 0 时，漏极电流ID = 0。 输出特性曲线： U DS 常数 U GS i
D
可 变 电 阻 区
UG S＝6V 恒 流 区 0 截止区 (a) 5V 4V 3V 2V u DS 击 穿 区
当uDS较小时， 源漏极两端沟道 的宽度不相等，如图(a)iD 随uDS 的增大而增大，为曲线上升部分， 即可变电阻区(RON:几百欧)
K
ID
反向 击穿区
U D/V
1. 外加正向电压(正偏) 硅二极管伏安特性 二极管导通(相当于开关闭合) U D 0.7 V U D 0.5 V 2. 外加反向电压(反偏) 二极管截止(相当于开关断开) I D 0
二极管的开关作用：
[例] 电路如图所示，
+
0.7 D DV
-
uI 2 V 或 3 V
20
u DS/ V
uGS可正可负
转移特性曲线：
iD 4 iD / mA ＋1 V
IDSS
UP
O
uGS
当uGS小到某一值时， 3 U ＝ 0 V I原始沟道消失，漏极 －1 V 电流趋近于零，管子 2 －2 V 截止。这个临界的负 1 －3 V 电压称为夹断电压 u 0 5 10 15 20 （ UP）。
4
iB f ( uBE ) uCE
IB/A U CE 0
U CE 1V
O
条 件 发射结正偏 集电结反偏 两个结正偏 Je正偏 Jc零偏 两个结反偏
或Je正向电压<0.5V
U BE / V
50 µ A 放 40µ A
(4) 输出特性
iC f ( uCE ) iB