第三章 集成门电路与触发器

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第三章 集成门电路与触发器
2． 反向特性 二极管在反向电压VR 作用下，处于截止状态，反向电阻 很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表 示，通常可忽略不计 ），二极管的状态类似于开关断开。而 且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。 注意事项： ● 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成 实际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电 流； ● 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛 增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击 穿电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。
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3.2.0
PN结 在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一
3. 2 半导体器件的开关特性
边形成N型（Negative)半导体，另一边形成P型( Positive)半导体，那么就在两种半导体的交界面 附近形成了PN结 一、PN结内部载流子的运动
P型半导体（空穴是多子，电子是少子）和N型半 半导体（电子是多子，空穴是少子）结合在一起时， 由于交界处多子和少子的浓度有很大的差别，N区的 电子向P区运动（扩散运动），扩散到P区的电子因
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与空穴复合而消失。同样P区的空穴也向N区扩散，
且与N区中的电子复合。这样在交界面就出现了不 能移动的带电离子组成的空间电荷区。
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负离子 空穴
耗尽层
P区 空间电荷区 N区
正离子 电子
内电场
平衡状态下的PN结
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第三章 集成门电路与触发器 U
R N区
第三章 集成门电路与触发器 U
R N区
PN结加反向电压时， 也称反偏。此时外电场 使耗尽层变宽，加强了 内电场。结果阻止了多 子的扩散，促使了少子 的漂移，在回路中形成 反向电流IS。
IS P区
耗尽层
-
内电场 外电场
+
由于少子的浓度很低，并且温度一定时少子的浓
度不变，所以反向电流不但很小，且基本不随外加 反向电压的增加而增加，故称为反向饱和电流IS。
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双极型集成电路又可进一步可分为： TTL(Transistor Transistor Logic)电路； ECL(Emitter Coupled Logic)电路； I2L(Integrated Injection Logic)电路。 ┊ TTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛。 MOS集成电路又可进一步分为： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor)； NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)； CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)。 ┊ CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻辑电 路的设计，而且综合性能最好 。
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由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它 当作开关使用。 二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导通 状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图 (c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。
D
U 0 R 关闭 R 断开 R
(a)
(b) 二极管开关电路及其等效电路
C N P N
集电极 基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺
E 发射极 杂浓度较高
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C
集电极
N B 基极
+++++++++++++ _ ___ _________
_ ___ _ _ ______ _ +++++++++++++
集电结
发射结
P
NEBiblioteka 发射极23电流放大原理
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2. MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路: 逻辑门数为10 门～99 门(或元件数100个～999个)；
3. LSI (Large Scale Integration ) 大规模集成电路: 逻辑门数为100 门～9999 门(或元件数1000个～99999个)； 4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集 成电路: 逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)。
工作特性如下： 当VGS ＜开启电压VTN 时：MOS管工作在截止区，输出 电压vDS ≈VDD，MOS管处于“断开”状态; 当VDS≥VGS －VTN 时：MOS管工作在导通区，输出电压 vDS≈ 0V，MOS管处于“接通”状态。 32
(c)
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二、 动态特性 二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转 换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一 定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。 1. 反向恢复时间
反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的 时间称为反向恢复时间。
二、PN结的单向导电性 加正向电压时（正偏）， 多子被推向耗尽层，结
I
耗尽层 P区
果耗尽层变窄，有利于 多子的扩散而不利于少 内电场 子的漂移。多子的扩散 + 电流通过回路形成正向 外电场 电流。在外电场的作用下，耗尽层两端的电位差变 小（零点几伏），所以不大的正向电压就可以产生 相当大的电流。
-
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3.2.3 MOS管的开关特性
一、静态特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状 态。MOS管是电压控制元件，主要由栅源电压vGS决定其工 作状态。（1） 结构
金属铝 S N P型基底
G
D N
SiO2绝缘层
两个N区
P
N导电沟道
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本章知识要点:
● ● ● 半导体器件的开关特性； 逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法； 常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性。
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3.1
数字集成电路的分类
数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据 集成规模的大小进行分类。 一、根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。 1.双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主 要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、 集成度较低。 2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路): 采用金属-氧化 物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集 成度高、功耗低，但速度较慢。
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1．开通时间（ ton ） 开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。 时间ton =延迟时间td +上升时间tr 2. 关闭时间 （ toff ） 关闭时间 ：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。 关闭时间toff =存储时间ts +下降时间tf 开通时间ton和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要因素。
在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的 无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。 电路在三极管截止与饱和状态下的等效电路如下:
晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极 管的静态开关特性。
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二、动态特性
晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性 称为三极管的动态特性。 三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷 的建立与消失过程。因此，两种状态的转换也需要一定的时间 才能完成。
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第三章 集成门电路与触发器
三、根据设计方法和功能定义分类 1. 非用户定制电路（标准集成电路）: 生产量大、使用广泛、价格便宜，如：各种通用集成 电路产品。 2.全用户定制电路（专用集成电路） 专为满足某种用户要求而设计的，可靠性高、保密性 好，但设计费用高、销售量小。 3.半用户定制电路 由厂家生产出功能不确定的集成电路，再由用户根据要 求进行适当处理，令其实现指定功能。
要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏， 集电结反偏。 25
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晶体三极管的开关特性
一、静态特性(以NPN型为例)
根据两个PN结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和 3种工作状态。
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工作特点
1. 截止状态： uB ＜0，两个PN结均为反偏，iB≈0,iC ≈0,uCE ≈UCC。三极管呈现高阻抗，类似于开关断开。
晶体三极管基本结构
集电极 B 基极 发射极
C
集电极 B 基极
C
N P N
E
P N P
E
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发射极
NPN型
PNP型
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晶体三极管基本符号
C C B
C B
C B E
N P N
E
B E
P N P
E
NPN型三极管
PNP型三极管
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集电区： 面积较大 B 基极
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总之，PN结加正向电压时，形成较大的正向电流； 而在加反向电压时，反向电流很小，这种特性称为 单向导电性。