数字集成逻辑电路基础

3.2 逻辑门电路
➢ 用以实现逻辑运算的电路常被称为逻辑门电路
➢ 基本的逻辑运算有与、或、非运算，由这三种基本运算可复合出四 种常用复合逻辑运算，即与非、或非、异或与同或
3.3 晶体管-晶体管逻辑电路
晶体管-晶体管逻辑门电路，也就是常说的TTL门电路，是由双极性晶体管组 成的门电路。TTL门电路包括与、或、非等多种主要逻辑门电路及其逻辑组合。
Apple A7包含超过 10亿个晶体管，晶 粒大小为102mm²
数字集成逻辑电路按工艺可分为： • 双极型集成电路——空穴和自由电子都参与导电
• TTL • ECL（Emitter Coupled Logic） • HTL（High Threshold Logic） • I2L （Integrated Inject Logic） • 单极型集成电路——只有一种载流子导电 • MOS
三极管的放大作用就是：集电极（C极）电流受基极（B极）电流的控 制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小 的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集 电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，把 β叫做三极管的放大倍数。
三极管的三种工作状态
3.3.1 简单的门电路 （1）二极管与门
电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合，结果使 P区和N区中原来的电中性被破坏。 P区失去空穴留下带负电的离子，N 区失去电子留下带正电的离子。 这些离子因物质结构的关系，不能移动， 因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很 薄的空间电荷区（耗尽层），这就是所谓的PN结
3.1.5 MOS模拟开关
（1）单沟道模拟开关
通常在MOS管的栅极加控制开关通断的信号VC，源极接模拟信号输入VI，漏极 输出VO。对于在模拟电路的应用，这类开关有一个严重的缺点：为了保证管子工 作在大信号状态，栅源电压VC-VI在VC为高时，须高于饱和区与线性区交界电压 VGS(L)，在VC为低时须低于阈值电压VT，这就限制模拟信号的最大值不得超过 VH-VGS(L) ，最小值不得低于VL- VT ，限制了模拟信号的变化范围，否则MOS管 将进入饱和区，开关等效电阻随漏源电压变化而变化，不利于信号传输。
➢ 当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷 把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个 临界电压称为开启电压(或称阈值电压、 门限电压)，用符号VT表示(一般规定在ID ＝10uA时的VGS作为VT)
➢ 当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道 扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈 较好线性关系
简单来说就是：栅极加正电压（VGS>VT），形成纵向电场，吸引电子、排斥 空穴，在栅氧化层下形成电子导电沟道，将源极和漏极连起来；漏极加正电
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半导体中产生了大量的自由电子和正离子 + ++ +++ + ++ +++ + ++ +++ + ++ +++ + ++ +++ + ++ +++
P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的 浓度差，N型区内的电子多、空穴少，P型区内的空穴多而电子少，这样电 子和空穴会从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子从N型 区向P型区扩散， 也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。
假设两管开启电压|VGS(th)|= 2V，进入线性区的 栅源电压|VGS |=3V，控制信号的两个值为0V和 5V，同时输入电压VI在0～5V范围内变化。
EN=0V，两管均截止，开关断开；
EN=5V，此时若VI ≥3V，则T1管导通并工作于 线性区、T2管截止；若VI ≤2V，则T1管截止、 T2管导通并工作于线性区；若2V˂VI˂3V，则T1 、T2管均导通并工作于饱和区，此时开关的开 启电阻相当于两管饱和区电阻并联，电阻值略 大于线性区电阻，总电阻起伏不大，电阻特性 较理想。
➢ 输入电阻很大；温度稳定性较好；组成的放大电路的电压放大系数要小于 三极管组成放大电路的电压放大系数
➢ 场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大 类
➢ 按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与 增强型，结型场效应管均为耗尽型；而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽 型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。在杂质 半导体中，正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此 保持电中性。
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B
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B
半导体中产生了大量的空穴和负离子 - -- --- -- --- -- --- -- --- -- --- -- ---
3.1 晶体管的开关特性
3.1.1 PN结
在一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质（三价元素）是 P型半导体，另一部分掺有施主杂质（五价元素）是N型半导体 时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。
P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。 在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质（离子）是固 定不动的。
压(VDS>0)，形成横向电场，电子逆着电场方向漂移到漏极，形成漏极到源极 的电流。
MOS管的开关特性
➢ 当Vi=ViL时，VGS=ViL<VT，MOS管处于截止状态，ID=0, 输出Vo=VOH=VDD， 相当于开关断开状态
➢ 当Vi=ViH时，VGS=ViH>VT，MOS管处于导通状态，合理选择VDD和RD，使ID 足够大，输出Vo=VOL=VDD-IDRD
在空间电荷区，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个 电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，该电场是由载流子扩散后 在半导体内部形成的，故称为内电场
内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立，将带来两种影响：一是 内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦接近PN结，便在内电场 的作用下漂移到对方， 使空间电荷区变窄。当扩散运动和漂移运动达到动态平 衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结处于动态平衡。
外加正向电压 （正偏），也就是电源正极接P区，负极接N区，外电场的方向与内 电场方向相反。在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄， 内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结 果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子亦不断流向Ｐ 区，这两股载流子的流动就形成了PN结的正向电流。此时，有较大的正向扩散电 流，即呈现低电阻，称PN结导通。
➢ 为得到足够低的VOL，要求RD很大，在实际电路中，常用另一个MOS管来做 负载，相当于开关接通状态
➢ MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特 性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导 通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的
➢ 由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻rCES要大得多， 漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻RC大，所以，MOS管的充、放电时 间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。不过，在 CMOS电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，其充、放电过程 都比较快，从而使CMOS电路有较高的开关速度
• 当输入为高电平，即vIN=VIH=5V时，则基极与 发射极正偏，从而vOUT=≈0V
BJT的开关时间包括开通时间和关断时间，是由于三极管在饱和态与截止态 之间切换所致。
➢ 显而易见，开关时间限制了BJT开关的 速度。BJT开关应用的场合速度越高， 就要求开关时间越短。
➢ 要缩短BJT的开关时间，可以减小基区 宽度，缩短载流子渡越时间；也可以减 小发射结、集电结面积，从而减小极间 寄生电容，提高速度；
（2）CMOS模拟开关
CMOS双向模拟开关又叫CMOS传输门，是对于单沟道模拟开关的改进。 可以同时使用N沟道MOS管与P沟道MOS管作为开关。将两管源、漏交叉相连 ，栅极加相反的控制信号，使得两管电源电压极性与电流方向均相反，组成互 补结构。制造时应使两管参数完全对称，如使开启电压绝对值相同，进入线性 电阻区时的栅源电压绝对值与线性电阻值相同，等等。
➢ 放大状态时BE结正偏，BC结反偏； ➢ 截止状态时BE结不导通，BC结随便偏置； ➢ 饱和状态时BE结正偏，BC结趋向0偏或正偏；
• 当输入为低电平，即VIN=VIL=0V时，基极与发 射极之间零偏，与集电极之间反偏，此时BJT 管自集电极向下看几乎没有电流，相当于开关 断开，三极管截止。因此iC≈0， vOUT=VCCiCRC≈VCC，输出为高电平。
外加反向电压（反偏），也就是电源正极接N区，负极接P区，外电场的方向与 内电场方向相同。在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷 区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起 主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。 因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度一定时，少子浓度一定， 反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。此时，只有很小的 反向漂移电流，呈现高电阻， 称PN结截止。
阻很大。 ➢ 正向导通时，管子的正向压降很少，一般情况下，硅管约为0.7V，锗管
约为0.3V左右。 ➢ 硅二极管与锗二极管的主要区别在于：锗管的正向电流比硅管上升得快，
正向压降较小。但锗管的反向电流比硅管的反向电流大得多，锗管受温 度的影响比较明显。
3.1.3 双极型晶体管（BJT管）的开关特性
三极管是电流放大器件
3.1.2 二极管的开关特性
双极型二极管的开关特性实际上源于其单向导电性，是对其伏安特性的近 似，通过控制二极管两端的电压可以控制流过电流与否，实现开关功能。
qv
v
iDIS(ek T1)IS(eVT 1)
PN结正向偏置（v>0）且v>>VT时
PN结反向偏置（v<0）且|v|>>VT时
二极管的伏安特性可以看出： ➢ 二极管是一种非线性元件，它的正向特性和反向特性都是非线性的。 ➢ 二极管具有单向导电性能，即PN结正向导通时电阻很少，反向截止时电
集成电路是将电路制作在晶圆上，也就是将构成电路 的晶体管、电阻、电容、连线等元器件做在一块半导体材 料上，构成一个完整的电路。
Jack S Kilby Texas Instruments
Robert Norton Noyce Fairchild Semiconductor
2吋-8吋晶圆
• 小规模集成电路（SSI，20个门以下） • 中规模集成电路（MSI，几十-100个门） • 大规模集成电路（LSI，几百-1000个门） • 超大规模集成电路（VLSI，1000个门以上） • 芯片系统（SOC，包括数字和模拟电路）
➢ 另外，适当选择基极正、反偏电流以及 临界饱和电流，也可利于BJT状态的切 换，改善动态特性，提高速度。
3.1.4 场效应管（MOS管）的开关特性
➢ 场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）简称场效应管，由多数载 流子参与导电，也称为单极型晶体管
➢ 具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击 穿现象、安全工作区域宽等优点
工作原理：
N沟道：当UGS 大于导通电压时，D-S极导通 P沟道：当UGS 小于导通电压0时，D-S极导通
S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底
当在NMOS的栅上施加相对于源的正电压VGS时 ➢ 当VGS比较小时，栅上的正电荷还不能使硅-
二氧化硅界面处积累可运动的电子电荷，这是 因为衬底是P型的半导体材料，其中的多数载 流子是正电荷空穴，栅上的正电荷首先是驱赶 表面的空穴，使表面正电荷耗尽，形成带固定 负电荷的耗尽层 ➢ 当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少， 它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情 况时，漏源之间仍然无电流ID