第三章数字逻辑..教程文件
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第三章数字逻辑2012..
工程上： 用“0”表示VL，用“1”表示VH称正逻辑。 用“0”表示VH，用“1”表示VL称负逻辑。
2
3.1 PN结
在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其 一边形成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。
其中，IS为反向饱和电流，与晶体管材料及制作 工艺有关。UD为外加电压，VT在常温下≈26mV。
当晶体管加正向电压 且VD大于VT几倍时， 式中的1可以忽略， 故流过二极管的电流 与电压呈指数关系。
+Ⅲ
UD
rZ UBR
-
ID K
Ⅱ
Ⅰ
rD
r0
IS
UTH
二极管分区等效电路12
从二极管的伏安特性看实际的二极管并非理想开 关，它的正向导通电阻rD不是0（约为数十欧）， 反向截止电阻r0也不是无穷大（数百千欧），电 压和电流之间是指数关系，而不是线性关系。 但一般在工程上我们都做近似处理，以简化分析。
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） N型半导体（空穴是少子，电子是多子）
3
负离子 空穴
耗尽层
正离子
P区 空间电荷区 N区
电子
内电场 平衡状态下的PN结
4
二、PN结的单向导电性
1、加正向电压时（正偏）
U
R
I P区
耗尽层
N区
+
内电场
-
外电场
5
2、加反向电压时（反偏）
U
R
ICS≤βIb。
30
2、拉电流负载
VCC VQ
C
IRC
RC
Rb1 UiL
Rb2
IQ RL IOH
当T截止时： IRC =IQ+ IOH
16
UD
t
ID
ID=UD/R
t
t1
t2
由图可见，反向恢复时间Δt2 >Δt1，而影响二
极管开关速度的主要是Δt2。
17
3.2.3 半导体三极管(Transistor)
一、基本结构 集电极 C
集电极 C
B
N P
基极
N
B
P
N
基极 P
发射极 E NPN型
发射极 E
PNP型
18
三极管符号
C
C
N BP
B
is
A
B
RD
A
B
15
2、动态特性 当外加电压由反向突然变为正向时，须等待PN结 内部建立起足够的电荷浓度梯度才会有扩散电流 形成，因而ID滞后于VD的跳变。
当外加电压突然由正向变成反向时，由于PN结内 部尚有一定数量的存储电荷，因而瞬间有较大的 反向电流，此后以指数规律趋于0。（实际有反 向漏电流is）。
IS P区
耗尽层
N区
-
内电场
+
外电场
结论：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。
6
3.2 晶体管开关特性
3.2.1 半导体二极管（Diode)
一、基本结构 在PN结加上管壳和引线就构成了二极管。
P 阳极
P N
N 阴极
7
二、伏安特性 ID
D
ID
Rb2
三极管饱和导通，
输出为低电平。
－Vbb
结论：输入与输出反相。
28
二、工作条件
当输入为低电平时，三极管应可靠截止；当输入 为高电平时，三极管应可靠饱和。
三极管的饱和条件、截止条件如前所述。VQ
三、波形改善
CFra Baidu bibliotek
VCC
RC
(1) 采用加速电容C
Rb1
UO
(2) 采用钳位电路 Ui
Rb2
CO
－Vbb
29
UD
R
反向击穿电压VBR
导通压降: 硅管 0.6～0.7V,锗管 0.2～0.3V。
反向饱和电流 （很小，A级）
UD
死区电压： 硅管 0.5V 锗管 0.2V。
8
硅二极管：死区电压（0.5V） 正向压降（0.7V）
理想二极管：死区电压（0V） 正向压降（0V）
Ui
t
Ui
RL
UO
Uo
t 二极管半波整流
9
3.2.2 晶体二极管开关特性
一、理想开关
开关电路见右图
AB
闭合 RAB=0
U
R
静态特性
断开 RAB=∞
动态特性: △t
△t 0 ( 断开 闭合)
10
二、二极管开关
1、静态特性
二极管开关电路及特性曲线如图所示:
ID
UD
AB R
ID
VBR
Ⅱ
1/rD
Ⅰ
VTH
UD
Ⅲ
11
UD
IDIS(e VT 1)
N
E
E
NPN型三极管
C
C
P BN
B
P
E
E
PNP型三极管
19
输入特性
IB与UBE的关系曲线（同二极管）
IB(A) 80
工作压降： 硅管UBE 0.7V
60
UCE1V
40
20 死区电压： 硅管0.5V
0.4 0.8
UBE(V)
20
输出特性(IC与UCE的关系曲线)
IC(mA )
Ibs
4
饱
和 区
3
2
b
b
e
e
25
二、动态特性 在动态情况下，由于三极管内部电荷的建立和 消散过程均需要一定的时间，故IC和UO的变化 均滞后于Ui的变化。
26
Ui IC UO
ton
t
t
toff
t
27
3.3 晶体管反相器
一、工作原理
VCC
当输入为低电平时，
三极管截止，输出 为高电平。
Rb1
RC UO
当输入为高电平时，Ui
13
（1）二极管导通时，可以根据使用情况选用以
下的近似特性。
ID
1/rD
A
rD 0.7V
Ⅰ
B
UBR Ⅱ VTH
UD
Ⅲ 1/r0
ID rD=0
A
B
r0=∞ 0
UD
14
（2）二极管反向截止时，仍有反向漏(饱和)电 流is(少数载流子漂移形成的电流，和温度有关。 一般为0.2μA左右。)，但理想化后可忽略is。
四、反相器的负载能力
1、灌电流负载
C
VCC VQ IRC RC
当T饱和时，
Rb1
ICS= IRC+ IOL。 为了保证T稳定
Ui
Rb2
ICS
的工作在饱和状
态，应满足ICS= IRC+ IOL≤βIb
－Vbb
RL VCC IOL
显然，晶体管饱和越深，允许的灌电流越大，负
载能力也越强。但集电极电流必须满足限制条件：
放
大Q
区
80A
=IC/IB=3mA/60A=50 60A
=IC/IB=2mA/40A=50 40A
-ICBO
UCES
VCC
截止区
UCE(V)
21
3.2.4 双极型晶体三极管开关特性
一、静态特性 Ib
VCC IC RC
Ui Rb UBE
UCE
晶体管开关电路
22
1、放大状态
放大条件：Ube>0(e结正偏)，Ubc<0(c结反偏)。 Ube≈0.5～0.7V，IC=βIb ，Ie = IC +βIb
2、饱和状态(等效开关接通)
VCC- Uces 饱和条件: Ib≥Ibs= βRC
=
ICS β
(Ibs称为临界饱和基极电流)
饱和时，Ubes=0.7V，Uces≤0.3V。
23
b
cb
c
Ubes
Uces
Ubes
e
e
c
b e
24
3、截止状态
截止条件：Ube≤0(工程上<0.5V)
结果：IC=0
c
c
Icbo
工程上： 用“0”表示VL，用“1”表示VH称正逻辑。 用“0”表示VH，用“1”表示VL称负逻辑。
2
3.1 PN结
在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其 一边形成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。
其中，IS为反向饱和电流，与晶体管材料及制作 工艺有关。UD为外加电压，VT在常温下≈26mV。
当晶体管加正向电压 且VD大于VT几倍时， 式中的1可以忽略， 故流过二极管的电流 与电压呈指数关系。
+Ⅲ
UD
rZ UBR
-
ID K
Ⅱ
Ⅰ
rD
r0
IS
UTH
二极管分区等效电路12
从二极管的伏安特性看实际的二极管并非理想开 关，它的正向导通电阻rD不是0（约为数十欧）， 反向截止电阻r0也不是无穷大（数百千欧），电 压和电流之间是指数关系，而不是线性关系。 但一般在工程上我们都做近似处理，以简化分析。
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） N型半导体（空穴是少子，电子是多子）
3
负离子 空穴
耗尽层
正离子
P区 空间电荷区 N区
电子
内电场 平衡状态下的PN结
4
二、PN结的单向导电性
1、加正向电压时（正偏）
U
R
I P区
耗尽层
N区
+
内电场
-
外电场
5
2、加反向电压时（反偏）
U
R
ICS≤βIb。
30
2、拉电流负载
VCC VQ
C
IRC
RC
Rb1 UiL
Rb2
IQ RL IOH
当T截止时： IRC =IQ+ IOH
16
UD
t
ID
ID=UD/R
t
t1
t2
由图可见，反向恢复时间Δt2 >Δt1，而影响二
极管开关速度的主要是Δt2。
17
3.2.3 半导体三极管(Transistor)
一、基本结构 集电极 C
集电极 C
B
N P
基极
N
B
P
N
基极 P
发射极 E NPN型
发射极 E
PNP型
18
三极管符号
C
C
N BP
B
is
A
B
RD
A
B
15
2、动态特性 当外加电压由反向突然变为正向时，须等待PN结 内部建立起足够的电荷浓度梯度才会有扩散电流 形成，因而ID滞后于VD的跳变。
当外加电压突然由正向变成反向时，由于PN结内 部尚有一定数量的存储电荷，因而瞬间有较大的 反向电流，此后以指数规律趋于0。（实际有反 向漏电流is）。
IS P区
耗尽层
N区
-
内电场
+
外电场
结论：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。
6
3.2 晶体管开关特性
3.2.1 半导体二极管（Diode)
一、基本结构 在PN结加上管壳和引线就构成了二极管。
P 阳极
P N
N 阴极
7
二、伏安特性 ID
D
ID
Rb2
三极管饱和导通，
输出为低电平。
－Vbb
结论：输入与输出反相。
28
二、工作条件
当输入为低电平时，三极管应可靠截止；当输入 为高电平时，三极管应可靠饱和。
三极管的饱和条件、截止条件如前所述。VQ
三、波形改善
CFra Baidu bibliotek
VCC
RC
(1) 采用加速电容C
Rb1
UO
(2) 采用钳位电路 Ui
Rb2
CO
－Vbb
29
UD
R
反向击穿电压VBR
导通压降: 硅管 0.6～0.7V,锗管 0.2～0.3V。
反向饱和电流 （很小，A级）
UD
死区电压： 硅管 0.5V 锗管 0.2V。
8
硅二极管：死区电压（0.5V） 正向压降（0.7V）
理想二极管：死区电压（0V） 正向压降（0V）
Ui
t
Ui
RL
UO
Uo
t 二极管半波整流
9
3.2.2 晶体二极管开关特性
一、理想开关
开关电路见右图
AB
闭合 RAB=0
U
R
静态特性
断开 RAB=∞
动态特性: △t
△t 0 ( 断开 闭合)
10
二、二极管开关
1、静态特性
二极管开关电路及特性曲线如图所示:
ID
UD
AB R
ID
VBR
Ⅱ
1/rD
Ⅰ
VTH
UD
Ⅲ
11
UD
IDIS(e VT 1)
N
E
E
NPN型三极管
C
C
P BN
B
P
E
E
PNP型三极管
19
输入特性
IB与UBE的关系曲线（同二极管）
IB(A) 80
工作压降： 硅管UBE 0.7V
60
UCE1V
40
20 死区电压： 硅管0.5V
0.4 0.8
UBE(V)
20
输出特性(IC与UCE的关系曲线)
IC(mA )
Ibs
4
饱
和 区
3
2
b
b
e
e
25
二、动态特性 在动态情况下，由于三极管内部电荷的建立和 消散过程均需要一定的时间，故IC和UO的变化 均滞后于Ui的变化。
26
Ui IC UO
ton
t
t
toff
t
27
3.3 晶体管反相器
一、工作原理
VCC
当输入为低电平时，
三极管截止，输出 为高电平。
Rb1
RC UO
当输入为高电平时，Ui
13
（1）二极管导通时，可以根据使用情况选用以
下的近似特性。
ID
1/rD
A
rD 0.7V
Ⅰ
B
UBR Ⅱ VTH
UD
Ⅲ 1/r0
ID rD=0
A
B
r0=∞ 0
UD
14
（2）二极管反向截止时，仍有反向漏(饱和)电 流is(少数载流子漂移形成的电流，和温度有关。 一般为0.2μA左右。)，但理想化后可忽略is。
四、反相器的负载能力
1、灌电流负载
C
VCC VQ IRC RC
当T饱和时，
Rb1
ICS= IRC+ IOL。 为了保证T稳定
Ui
Rb2
ICS
的工作在饱和状
态，应满足ICS= IRC+ IOL≤βIb
－Vbb
RL VCC IOL
显然，晶体管饱和越深，允许的灌电流越大，负
载能力也越强。但集电极电流必须满足限制条件：
放
大Q
区
80A
=IC/IB=3mA/60A=50 60A
=IC/IB=2mA/40A=50 40A
-ICBO
UCES
VCC
截止区
UCE(V)
21
3.2.4 双极型晶体三极管开关特性
一、静态特性 Ib
VCC IC RC
Ui Rb UBE
UCE
晶体管开关电路
22
1、放大状态
放大条件：Ube>0(e结正偏)，Ubc<0(c结反偏)。 Ube≈0.5～0.7V，IC=βIb ，Ie = IC +βIb
2、饱和状态(等效开关接通)
VCC- Uces 饱和条件: Ib≥Ibs= βRC
=
ICS β
(Ibs称为临界饱和基极电流)
饱和时，Ubes=0.7V，Uces≤0.3V。
23
b
cb
c
Ubes
Uces
Ubes
e
e
c
b e
24
3、截止状态
截止条件：Ube≤0(工程上<0.5V)
结果：IC=0
c
c
Icbo