门电路+半导体基础知识(无门复习)
半导体基础知识
第一章
半导体器件
(1-1)
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体基本知识
§ 1.2 PN 结及半导体二极管
§ 1.3 半导体三极管
(1-2)
§1.1 半导体基本知识
1.1.1 导体、半导体和绝缘体
一、导体 自然界中很容易导电的物质称为导体， 金属一般都是导体。 二、绝缘体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体， 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 三、半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和 绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷 化镓和一些硫化物、氧化物等。
P
(1-32)
-
N
+
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(1-33)
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
二极管的应用举例1：二极管半波整流
(1-18)
§1.2 PN结及半导体二极管
1.2.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
一、多子扩散
(1-19)
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体
半导体基础知识
例3.5.1：计算参数设计是否合理 ① 将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路
RB R1 // R2 2.5K
VB
VI
VI VEE R1 R2
R1
VI
VI 8 3.3 13.3
②
当 VI
VIL
0时，VB
0 8 3.3 13.3
2.0V
所以 T截止，iC 0,VO VOH VCC 5.0V
1 2
RON
A 0, B 1则RO RON1 RON
A 1, B 0则RO RON3 RON
(2)输出的高低电平受输入端数目的影响
输入端越多，VOL越高，VOH 也更高 (3)使T2、T4的VGS达到开启电压时， 对应的VI 值不同
带缓冲极的CMOS门 2.解决方法
或非门 缓冲器 与非门
VGS
下
( th)
，i
D
VGS 2
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， VDS iD 常 数 （ 电 阻 ） 这个电阻受VGS 控制、可变。
三、MOS管的基本开关电路
因为 ROFF 109 , RON 1K 只要RON RD ROFF , 则：
• 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
半导体基础知识
半导体基础知识（详细篇）
概念
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。
1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等
2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等
3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可导电。半导体的电阻率为10-3～109 Ω·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体特点：
1) 在外界能源的作用下，导电性能显着变化。光敏元件、热敏元件属于此类。
2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显着增加。二极管、三极管属于此类。
本征半导体
1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是硅和锗。
硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下图：
外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的。
?
外层电子受原子核的束缚力最
小，成为价电子。物质的性质是由价
电子决定的。
?
?
2.本征半导体的共价键结构
本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：
硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图
3.共价键
共价键上的两个电子是由相邻原子各用
一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电
子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没
有足够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对
半导体器件的基础知识
精选课件
31
1.2 半导体三极管
2．判断三极管的好坏
（1）万用表置于“R 1 k ”挡或 “R 100”挡位。
（2）方法：分别测量三极管集电结与发射结的正向电阻 和反向电阻，只要有一个 PN 结的正、反向电阻异常，就可 判断三极管已坏。
精选课件
32
1.2 半导体三极管
3．判断三极管 的大小
由此可见，基极电流的微小变化控制了集电极电流较大 的变化，这就是三极管的电流放大原理。
注意： （1）三极管的电流放大作用，实质上是用较小的基极电 流信号控制集电极的大电流信号，是“以小控大”的作用。
（2）三极管的放大作用，需要一定的外部条件。
结论：要使三极管起放大作用，必须保证发射结加正向 偏置电压，集电结加反向偏置电压。
死区电压：
VT
=
0.5 0.2
V V
(Si） (Ge）
② 正向导通：当外加电压大于死区电压后，电流随电压 增大而急剧增大，二极管导通。
导通电压：
Von
=
0.6 0.2
V V
~ ~
0.7 0.3
V V
（Si） （Ge）
结论：正偏时电阻小，具有非线性。
精选课件
9
1.1 半导体二极管
（2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）
2 ．载流子：半导体中，携带电荷参与导电的粒子。
半导体基础知识
整理ppt
25
9015
e bc 2SA1216
整理ppt
bc e
26
双极型晶体管
C
一、基本结构
集电极 C
集电结 N
基极 B
P
N
发射结
E
发射极
集电区： 面积最大
基区： 最薄， 掺杂浓度 最低
发射区： 掺杂浓度 最高
B
E NPN型三极管 符号
C B
E PNP型三极管 符号
箭头所指方向是表示发射整结理正ppt 向偏置时的电流方向。 27
O3 6 9
整理ppt
50A
40A 30A 20A 10A IB=0 12 UCE(V)
34
双极型晶体管
三、三极管的特性曲线 2．输出特性曲线
输出特性是指输出电压CE与电流IC的关系， 即
IC(mA )
曲线是一组以IB为参变量的曲线 4 族。曲线族可分为三个区域：
（2）截止区
3
IB < 0 以下区域为截止区， 2
电子、空穴---载流子
整理ppt
3
N 型半导体
杂质 自由 原子 电子
多余 电子
+4
+4
+54
+4
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
半导体基础知识
第一章 常用半导体器件
常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管
常用半导体器件
§1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
常用半导体器件
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容： Cj Cb Cd
结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
常用半导体器件
§1.4 场效应管
(Field Effect Transistor，FET ) 一、结型场效应管的结构和符号 二、结型场效应管的工作原理 三、结型场效应管的特性曲线 四、绝缘栅型场效应管 五、主要参数 六、场效应管与晶体管的比较
常用半导体器件
二、杂质半导体
1. N型半导体
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？
杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
第一章 半导体基础知识
§1.3 电子电路及其工作信号 §1.4 半导体基础知识 §1.5 PN结
2010-12-25
1.3 电子电路及其工作信号
各种 形式 的物 理量
传 感 器
信号
电子系统
信号
各种 伺服 机构
信号源
电压源：戴维宁 南 等效电路 电压源：戴维宁(南)等效电路 电流源： 电流源：诺顿等效电路
2010-12-25
+4 +4 +4
空穴
－ － － － － － － －
+4
硼原子
+3
+4
空穴
－ － － －
电子空穴对 受主离子
+4
+4
+4
多数载流子—— 空穴 多数载流子 少数载流子—— 自由电子 少数载流子
2010-12-25
N（电子）型半导体 （电子）
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，、锑砷等 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，、锑砷等 五价杂质元素 ，、
1.3 电子电路及其工作信号 • 电子系统与信号 – 电子系统 – 信号 – 信号的频谱 – 模拟信号和数字信号 – 对信号的处理 • 放大电路的基本知识 – 放大的本质 – 四种基本模型 – 主要性能指标
2010-12-25
电子系统 系统：实现某种功能（行使某种职能） 系统：实现某种功能（行使某种职能）的相对独 立的事物整体。多个系统能够构成更大、 立的事物整体。多个系统能够构成更大、 更复杂的系统。 更复杂的系统。 电子系统：完成信号的检测、处理变换、 电子系统：完成信号的检测、处理变换、传输以 及产生对伺服机构的控制信号。 及产生对伺服机构的控制信号。 分类：数字电子系统、 分类：数字电子系统、模拟电子系统 模拟电路的工作对象：模拟信号， 模拟电路的工作对象：模拟信号，在时间和数值上均 连续的信号（电压或电流）。 连续的信号（电压或电流）。
1.1 半导体基础知识
1.1 半导体基础知识
1.1.1 半导体的特性
自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
[下一页]
半导体的特性
硅原子的序数是14、原子核外有14个电子，最外层有4个电子，称为价电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
[下一页]
1.1.2 本征半导体
在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。每一个原子的价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
一般来说，共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子，这种物理现象称作为本征激发，价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称“空穴”。如图所示。
当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来，使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正电荷的载流子。
在本征半导体内部自由电子与空穴总是成对出现的，因此将它们称作为电子-空穴对。
半导体基础知识
IF
P区
N区
外加电压使空间电荷区变窄
扩散运动加强 IF=I多子 - I少子 I多子 限流电阻
内电场
+ U 外电场 R
二、外加反向电压（反向偏置) — reverse bias N区 外加电压使空间电荷区变宽 IR P 区 漂移运动加强 IR= I少子 0
滤波
稳压
交流 电源
负 载
u
O
u t O
合适的 交流电压
u t O
单向脉动 直流电压
u t O
滤波
u t O
稳压
t
220 V
1.8.1 电容滤波电路
一、 电路和工作原理
电容 充电
电容 放电
+
u1
+ u2
D4
D1
C
RL
D3
D2
io + uo= uc
u2正半周D1和D3导通，给 C 充电, u2达到最大值时，C 两端电
Co: 1--100F
1.7
半桥堆 封装
常用的整流组合元件
半桥堆 (1/2QLXXAYY)
常用的整流组合元件
全桥堆 (QLXXAYY)
电路符号 典型连接方式
XX 额定正向整流电流
半导体基础知识
1．什么是导体、绝缘体、半导体？
容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐的水溶液等都是导体。
不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、油、空气等都是绝缘体。
所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指纯净的半导体，这里的纯净包括两个意思，一是指半导体材料中只含有一种元素的原子；二是指原子与原子之间的排列是有一定规律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素（称杂质）所形成的半导体。杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体。
2．半导体材料的特征有哪些？
（1）导电能力介于导体和绝缘体之间。
（2）当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体则相反，电导率的温度系数为负值。
（3）有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。
（4）晶体的各向异性。
3．简述N型半导体。
常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导体。
例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时，称为N型半导体。
4．简述P型半导体。
当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。
第一章半导体基础知识
第一章半导体基础知识
〖本章主要内容〗
本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。
〖本章学时分配〗
本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件
一、主要内容
1、半导体及其导电性能
根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能
本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
半导体器件基础知识ppt课件
.
c)饱和区 靠近输出特性纵坐标轴，曲线上升部分所对应的区域称为饱和区。IC随IB增大而增大，UCE则相应减小，当IC增加到接近于VCC/RC时，UCE近似为零，此后IB再增大，IC不再增大，即IC不再受IB的控制，三极管进入饱和状态。此时的IC称为集电极饱和电流，集、射极电压称为集、射极饱和电压，集、射极间相当于接通状态。在饱和状态下，发射结和集电结均为正向偏置。
.
半导体二极管
半导体二极管实际上就是一个PN结，由一个PN结加上接触电极、引线和管壳构成的。它的用途很广，如用作整流、高频检波和数字电路中的开关元件等。为适用于各种不同的用途，制成了各种类型的半导体二极管。但其工作原理都是基于PN结的单向导电性。 二极管的电路符号为；
本课程内容
医学电子仪器与基础电路 生理参数测量仪器 医学超声仪器 临床检测分析仪器 生理功能辅助仪器 医用光学技术与仪器 治疗用电子仪器 放射治疗肿瘤装置 医用仪器干扰的抑制和安全用电
.
第一章 医学电子仪器与基础电子电路
医学电子仪器的特点 医学电子仪器的分类 半导体器件的基础知识 生物医学放大电路 电子振荡电路 直流稳压电路 数字逻辑电路
.
a)截止区 IB=0这条曲线以下的区域称为截止区。在此区域内，IC＝ICE≈0，集、射极间近似于断开状态。为了使三极管可靠截止，通常给发射结加上反向偏置电压，即UBE<0V。 b)放大区 放大区是特性曲线中近似平行于横轴的曲线族部分。当UCE超过一定数值后（1V左右），IC呈现恒流特性。在放大区，IC与IB成正比，即IC=βIB，随IB增加IC也增加，三极管具有电流放大作用。发射结为正向偏置，集电结为反向偏置。
1-半导体基础知识(新)
1 PN结形成
P区
少子漂移 内电场E
N区
空间电荷区， 也称耗尽层。
多子扩散
扩散的结果是使 空间电荷区逐渐 加宽，空间电荷 区越宽。
离子薄层形成的空间电 荷区称为PN结
2. PN结特点:
（1） 空间电荷区是非中性区，内建电场和内建电位差φo （内建电压）。
（2） PN结又称耗尽层、又称阻挡层（内建电场E阻止 两区多子越结扩散）、又称势垒区。
+4
+4
+4
+4
+5 +4
+4
2. P 型半导体（ Positive 正）
在本征半导体中掺入少量的三价元素（如硼）
P 型半导体。
+4
+4 +3
+4
+4
+4
+4
硼原子的最外层有三个价电子，与相 邻的半导体原子形成共价键时，产生 一个空位。价电子因热运动很容易来 填补这个空位，使空位转移到半导体 原子上，产生空穴。同时使得硼原子 成为不能移动的带负电的离子。这一 现象称为受主电离。硼原子称为受主 原子。
缘体和半导体。
导 体： 电阻率 < 10-4 Ω·cm，如铁、铝、铜等金属元素等 低价元素，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：电阻率 > 109 Ω·cm，如惰性气体、橡胶等，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 强到相当程度时才可能导电。 半导体：电阻率 介于前两者之间。 典型的半导体有单质半导体[硅(Si)和锗(Ge)]以及ⅢⅤ族化合物半导体[砷化镓(GaAs)等]。
半导体基础知识
若正向电压
u U
T
1)
u UT
u U T ，则 i I S e
若反向电压
u U T ，则 i I S
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
二极管交流电流电压ΔiD、ΔuD足够小条件下，将 静态工作点Q附近二极管线性化，由叠加原理分 别进行静态分析——计算IDQ、UDQ 和动态分析— —计算ΔiD、ΔuD 计算ID、UD——偏置单独作用，二极管用大信 号等效电路
计算ΔiD、ΔuD——信号单独作用，二极管用小 信号等效电路
二极管的动态电阻rd——二极管静态工作点Q (正 向偏置)处微变电压增量与微变电流增量的比值
u
i I S (e
UT
1)
( 常温下 U T 26 m) V
击穿 电压
导通电压
0.5~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
材料
硅Si 锗Ge
开启电压
0.5V 0.1V
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性
正向特性为 指数曲线
半导体基础知识
半导体基础知识
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的物质，具有一些特殊的电学和光学性质，被广泛应用于电子器件和光电子器件中。本文将简要介绍半导体的概念、特性以及应用。
半导体的概念：半导体是电子能带（能量分布）相对比较窄的材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。在半导体中，电子的能级分布较为复杂，包括价带（最高被占据的电子能级）和导带（最低未被占据的电子能级）。
半导体的特性：半导体具有以下几个特点。首先是电导率随温度变化的特性。随着温度的升高，半导体的导电性会增强。其次是半导体的导电性可由掺杂改变。通过掺杂，即向纯净的半导体中加入其他元素来改变其电子结构，从而使其成为N型或P型半导体，分别具有激子（空穴与电子的结合态）和电子的载流子。此外，半导体还具有半导体光的吸收、发射和输运的特性，可以用于光电子器件制造。
半导体的应用：半导体的应用广泛，涵盖了多个领域。首先是电子器件，如晶体管和集成电路。晶体管是一种半导体器件，可以用来放大和控制电子信号。集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在单一芯片上，实现复杂的电子逻辑功能。其次是光电子器件，如光电二极管和激光器。光电二极管是一种能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于光通信和光电测量领域。激光器是一种能将电能转化为高强度、相干性很好的光束的器件，被广泛应用于医疗、通信和材料加工等领域。
在半导体的研究和开发中，还有一些重要的概念需要了解。一个重要的概念是PN结，即P型半导体和N型半导体的结合。PN结具有整流特性，即当施加在结上的电压为正向偏置时，电流通过；而当电压为反向偏置时，电流几乎不流动。这种特性被广泛应用于二极管和整流器件中。
第一章 半导体基础知识
A
B D2
A B 0 0
3
F
D1
通 通
D2
通 断 通 通
0 3
0
3 3
0.7 0.7 0.7 3.7
断
通
二、稳压二极管——工作在反向击穿区的二极管
稳定电压 Uz 合适 稳定 电流IZ UZ
Z
击穿区特性陡 直，较大的电 流变化，电压 几乎不变。
+
－
稳压原理 稳定电压 Uz + UD =Uz －
R IZ
Ui
→ rCE↓
IB
IC
UCE
Ui
Rb IB
+ UBE
－
iC VCC/RC
IB
T Ui > Uon， 导通，
IB= (Ui－ Uon) / Rb
IC = IB UCE=Vcc－IcRc
VCC uCE 初通 UCE较大，放大区
+Vcc
饱和时：UCE、 IC IC
Rc
趋于极限值，
称饱和电压UCES 和饱和电流ICS
稳定 电流IZ
U＜UZ， 截止， UD＝ U U＞UZ， 稳压, UD＝ UZ
U
U UZ R IZ
三、晶体管
（一）晶体管特性 输入特性
— iB＝f1（uBE）∣UCE＝常数
UCE≥1V
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3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
A、B、C全部为高电平时
R1 4kΩ R2 1.6kΩ 1V T1 1.4V 0.7V R3 1kΩ T2 VCC R4 (+5V) 130Ω T3 D4 Y T4
倒置
2.1V A B
截止
VH
C ＋ －
vo=VOL=0.3V 饱和
3.6V
开态！
3-26
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
iB≈0 iC≈0
vO= vCE ≈ VCC 反 反 很 偏 偏 大
集电极电流 特
C－E 间压降 B－C 结状态
VCC − VCE ( Sat ) iB ≥ IBS= βRC VCC − VCE ( Sat ) VCC iC = ≈ RC RC vO= vCE(Sat) ≈0.3V
正 正 很 偏 偏 小
3-18
vO RC vO VCC 大 截 和 饱 放
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的开关应用
晶体三极管反相器正常工作条件 设输入高、低电平分别是VH和VL则 截止条件是： VL + VBB vBE = VL − ⋅ R1≤0 0 R1 + R2 饱和条件是： VCC − 0.7 iB = i1 − i2 ≥ I BS = β RC
i C = f ( VCE )
双极型三极管的基本开关电路
VI=VIL时，T截止，VO=VOH 截止， VI=VIH时，T导通，VO=VOL 导通，
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的稳态开关特性
工 作
偏
状
态
置
截
止
饱
和
条 基 极 电 流 件
vBE≤ 0.5V,vB＜ vC
vBE≥ 0.7V,vB＞ vC
0
V
－
i
v 开关断开时，通过开关的电流 i＝0，开关两 端点间呈现的的电阻为无穷大 开关闭合时，开关两端的电压为 v= 0，开 关两端点间呈现的的电阻为零 开关的接通或断开动作瞬间完成 上述开关特性不受其它因素(如温度等)影响
3-6
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的稳态开关特性
D
＋ IS
iD
3-14
点
B－E 结状态 C－E 间电阻
三极管的开关等效电路
截止状态 饱和导通状态
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的瞬态开关特性
晶体三极管在饱和状态与截止状态之 间转换时呈现的开关特性称为瞬态开关 特性 晶体三极管从截止状态转向饱和状态 所需时间称为开通时间ton (包括延迟时 间td和上升时间tr)；从饱和状态转向截 止状态所需时间称为关断时间toff (包括 存储时间ts和下降时间tf）
3-9
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的开关应用
二极管门电路
D1 +12V D1 A F＝ABC ＝ B C D3 D2 A B C D3 D2 F＝A＋B＋C ＝ ＋ ＋
与门
－12V
或门
3-10
3.1.2 晶体三极管开关特性（BJT）
晶体三极管作为开关元件时，其优点 在于具有增益，可以用基极微小信号控 制集电极和发射极间的通、断，并具有 一定的带负载能力 晶体三极管作为开关元件时，电路大 多连接成共发射极组态，总是工作在饱 和状态和截止状态，而放大状态仅仅是 一种过渡状态
+5V R1 A B C T1 A B C
1
B1
C1
推拉式输出级有助于提高开关速度和 增强电路带负载能力
3-23
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
A、B、C中至少有一个为低电平时
R1 4kΩ R2 1.6kΩ 1V A B T1 0.4V R3 1kΩ T2
VCC R4 (+5V) 130Ω T3 D4 Y T4
3-11
• 特性曲线分三个部分 ① 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， 放大区：条件V ∆iC=β∆iB。 β∆i ② 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，∆iC 随∆iB增加变 饱和区：条件V 很低，∆ 缓，趋于“饱和”。 ③ 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。 截止区：条件V c—
54系列(军用)：电源电压 (5±0.5)V，使用环 境温度范围－55℃～＋125 ℃ 74系列(民用)：电源电压 (5±0.25)V， 使用 环境温度范围 0℃～＋70 ℃ TTL门电路的标称逻辑高电平是3.6V 逻辑低电平是0.3V
3-21
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL与非门CT5410/7410典型电路
深饱和 导通
VL
C ＋ －
vo=VOH=3.6V
截止
0.3V
关态！
3-24
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL 与非门CT5410/7410工作原理
A、B、C中至少有一个为低电平（0.3V）时 vI=0.3V → vB1=1V →T1 深饱和 → vCES1≈ 0.1V [iB1=(5－1) ÷4k=1mA IBS ] → vC1= 0.4V →T2 截止→T4 截止 → T3 、D4导通 → vo = VCC －iB3·R2－ vBE3 － vD4 ≈ 5－0－0.7－0.7 =3.6V =VOH
3-4
3.1.1 晶体二极管开关特性
具有接通或断开电路功能的元件称为 开关，它所具有的伏安特性就是开关特 性 晶体二极管是一种开关元件，在一定 条件下可以近似当成一个理想开关来分 析。但是在严格的电路分析时或高速开 关电路中则不能当成理想开关
3-5
3.1.1 晶体二极管开关特性
理想开关特性
S
＋
i R
作业
3.1.7 3.1.9 3.1.12 （a）~（C） 3.2.2 3.6.7 （*）
3-1
第 3章 集成逻辑门
3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL集成逻辑门 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路
3-2
用以实现基本逻辑关系的电子电路称 为逻辑门电路 常用的逻辑门有与门、或门、非门等 本章是全课程的器件基础，介绍基本 开关元件的开关特性和最常用的TTL集 成逻辑门及CMOS集成逻辑门的工作原 理和主要外部特性
3-3
3.1 晶体管的开关特性
晶体管是电子电路中最常见的半导体 器件。在逻辑门电路中，晶体二极管、 三极管及MOS管都工作在开关状态，利 用它们的接通状态和断开状态或输出低 电平和高电平分别表示二值逻辑的0和1。 在电路中，晶体管处于接通、断开状态 时，以及在两种状态之间转换时所呈现 的特性称为晶体管的开关特性
A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 Y 1 1 1 1 1 1 1 0
3-29
3.2.2 TTL与非门的主要外部特性
TTL与非门的主要外部特性包括
电压传输特性：输入、输出电压之间关系 输入特性：输入电压与输入电流之间关系 输出特性：输出电压与输出电流之间关系 电源特性：平均功耗 传输延迟特性：动态特性
输入特性（输入负载特性）
与非门的输入端外接接地电阻Ri时，由于 T1管发射极电流在电阻Ri上产生的电压降等 效这个输入端的输入电压，该电压直接影响 与非门的输出状态。根据分析，这个电压的 数值决定于电阻Ri的大小，且最大值为1.4V， 可以计算出，当Ri小于某个数值时，产生的 电压很小，相当于输入逻辑0，当Ri大于某个 数值时，产生的电压为1.4V，相当于输入逻 辑1，显然，Ri决定与非门的状态
v
－
iD
R
VZ
0 Vth
vD
当晶体二极管反偏截止时，iD＝－IS≠0；正 偏导通时，vD=Vth≈0.7V≠0；在截止和导通之间 转换时决不可能在瞬间完成； 而且iD和vD都 还会随温度等环境条件的变化而变化，显然 晶体二极管不是理想开关
3-7
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管稳态开关特性近似分析
iD
硅二极管 VD＝0.7V 锗二极管 VD＝0.3V
Байду номын сангаас
iD
iD
0
vD
0
vD
0
vD
rD V D
模拟电子电路 中晶体二极管 的等效电路
VD 数字电路中晶 体二极管的等 效电路
完全理想化晶 体二极管的等 效电路
3-8
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的瞬态开关特性
电路处于瞬变状态下，二极管呈现的 特性称为瞬态开关特性 晶体二极管在导通和截止间转换时， 呈现的瞬态开关特性，其内在机理在于 二极管的等效势垒电容和结电容的充、 放电过程，即电荷的积累和消散过程需 要一定时间。常用正向恢复时间和反向 恢复时间来表征二极管的开关速度
3-32
VNL
VIL
3.2.2 TTL与非门的主要外部特性
输入特性（输入伏安特性）
iI(mA)
IIS 1 0 1 IIH vI(V) 2
VCC − 0.7 − vI iI = R1 当vI=0时 iI =IIS ≈1.08mA
当输入端对地短路时，从输入端流出 的电流称为输入短路电流 IIS 当输入高电平时流入输入端的电流称 为输入漏电流 IIH≈40µA
通过讨论这些外部特性，进而了解它 们的技术参数，帮助我们更好地使用数 字集成电路
3-30
3.2.2 TTL与非门的主要外部特性
电压传输特性
vO(V) 3.6 3 2 1 3 2 1 VNL 0.3 0 VIL Voff Vth Von VNH VOL 3 vI (V)
3-31
标称输出逻辑电平
VOH
3-16
动态开关特性
从二极管已知，PN 从二极管已知，PN 结存在电容效应。
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 ，则V 滞后于V 滞后于VI。
3.1.1
三极管开关
晶体三极管的开关应用
三极管的基本开关电路就是非门
+VCC Cj vI R1 止 R2 -VBB 0.3V 0 电压传输特性 vI
多发射极 晶体管
A B C 保护 二极管 输入级 D1 D2 D3 R3 1kΩ 中间级 R1 4kΩ R2 1.6kΩ
R4 130Ω T3 D4
VCC (+5V)
推拉式 输出级
Y
T1
T2
T4
输出级
3-22
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL与非门CT5410/7410的特点 多发射极晶体管的作用是 +5V 实现与运算 R
3-27
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL 与非门CT5410/7410工作原理
TTL 与非门
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL 与非门CT5410/7410的逻辑功能
根据分析不难列出电路的 真值表，并得出结论：该电 路输入见“0”出“1”，输入 全“1”出“0”，其逻辑功能 是 Y = A ⋅B⋅C 与非门的逻辑符号是 A B C & & Y
3-33
3.2.2 TTL与非门的主要外部特性
输入特性（输入负载特性）
VCC VCC A B
＋
R1 4kΩ 2.1V T1 1.4V
VCC − 0.7 vI = ⋅ Ri ≤1.4V R1 + Ri
T2 0.7V T4 0 vI(V) 1.4
vI
－
Ri
2
RI(kΩ)
3-34
3.2.2 TTL与非门的主要外部特性
TTL 与非门CT5410/7410工作原理
A、B、C全部为高电平（3.6V）时 vI=3.6V → vB1=2.1V →T1 倒置→vC1= vB2 =1.4V [vB1= vBC1＋ vBE2＋vBE4=0.7＋0.7＋0.7= 2.1V] → T2 饱和 → vE2 ≈ 0.7V , vCES2 ≈ 0.3V → vC2= 0.7＋0.3=1V → T3 、D4截止 →vB4= vE2 ≈ 0.7V → T4 饱和 → vo= vCES4 ≈ 0.3V =VOL
VH − 0.7 0.7 + VBB i2 = i1 = R2 R1
3-19
3.2 TTL集成逻辑门 TTL(Transistor-Transistor Logic)
即晶体管－晶体管逻辑电路，数字电 路中一类最常见的双极型集成逻辑门。
3-20
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
常见的TTL门电路系列有： 标准通用系列 CT54/74××系列 高速系列 CT54H/74H××系列 肖特基系列 CT54S/74S××系列 低耗肖特基系 CT54LS/74LS××系列
VOH ＝3.6V VOL ＝0.3V （额定输出逻辑电平 3V，0.35V ） 开门电平 Von ， 关门电平 Voff 阈值电平 Vth＝1.4V
3.2.2 TTL与非门的主要外部特性
电压传输特性
关于噪声容限 vI
VIH VNH Von Vth=1.4 V Voff
输入高电平噪声容限 VIH－ VNH≥ Von VNH = VIH－Von 输入低电平噪声容限 VNL ＋VIL ≤ Voff VNL ＝ Voff －VIL