第1讲CMOS数字电路

sunwq@sjtu.edu.cn
12/39
二极管和三极管
三极管 二极管 N类型半导体 c b
PNP
e
双极型晶体管命名的由来
两种载流子参与导电。
sunwq@sjtu.edu.cn
NPN
P类型半导体
13/39
NPN BJT导通示意图
http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor
按照使用器件技术的不同，数字逻辑电路可 以分为：
继电器逻辑电路：RL逻辑电路 双极型晶体管电路：TTL逻辑电路，ECL电路 单极型MOS电路：NMOS，PMOS和CMOS等 常用的是TTL和CMOS电路
本世纪80年代开始，CMOS逐渐取代TTL， 成为集成电路的主导技术
sunwq@sjtu.edu.cn
电子移动方向 电流方向
sunwq@sjtu.edu.cn
6Байду номын сангаас39
半导体的掺杂
半导体中参与导电的实体—载流子(Carrier) 电子 空穴 通过改变载流子的数量，可以改变半导体的导电特性 P型掺杂 P：Positive 加入三价元素杂质，例如硼或者铟 增加空穴的数量 N型掺杂 N：Negative 加入五价元素杂质，例如磷、砷或锑 增加自由电子的数量
sunwq@sjtu.edu.cn
10/39
P-N结的导电特性
VCC
当PN结两端加上正向偏置电压时，PN结表现出很小的电阻，处于导通状态
sunwq@sjtu.edu.cn
11/39
P-N结的导电特性
VCC
当PN结两端加上反向偏置电压时，PN结表现出很大的电阻，处于截至状态
PN结具有单向导电特性。
3/39
内容提要
半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路
sunwq@sjtu.edu.cn
4/39
半导体材料硅(Si)
硅的晶格结构（平面图）
硅的晶格结构
sunwq@sjtu.edu.cn
5/39
半导体材料硅(Si)
VCC 硅的晶格结构（平面图）
硅的晶格结构
sunwq@sjtu.edu.cn
26/39
CMOS与非门的开关模型
sunwq@sjtu.edu.cn
27/39
更多输入的CMOS与非门
1. 它的开关模型？
sunwq@sjtu.edu.cn
2. 门的数量和输入的关系？ 28/39
更多。。。。
sunwq@sjtu.edu.cn
29/39
sunwq@sjtu.edu.cn
20/39
内容提要
半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路
sunwq@sjtu.edu.cn
21/39
CMOS电路
CMOS: Complementary MOS，互补 MOS 用NMOS和PMOS用互补的方式共用，就形 成CMOS。 NMOS晶体管和PMOS晶体管总是成对出现， 状态互补。 常用CMOS门电路
sunwq@sjtu.edu.cn
18/39
MOS晶体管符号
N沟道MOS管 栅极(gate) + Vgs P沟道MOS管 + 栅极 Vgs 源极(source) 源极 漏极 (drain)
漏极 Tips：栅极和另外两个极之间没有什么联系。但是栅极和源、漏极之间有电容耦合， 在高速电路中会产生功耗。 19/39 sunwq@sjtu.edu.cn
由其他材料构成的场效应管(FET)
Amorphous silicon (无定形硅) Polycrystalline silicon (多晶硅) Organic semiconductors (有机半导体)
H. Sirringhaus, Materials and Applications for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Proc. IEEE, pp. 1570-1579, 2009 H. Sirringhaus, Device Physics of SolutionProcessed Organic Field-Effect Transistors, Adv. Mater. 2005, 17, 2411–2425
sunwq@sjtu.edu.cn
7/39
P型半导体
多余的空穴 B
掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的
sunwq@sjtu.edu.cn
8/39
N型半导体
多余的电子 P
掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的
sunwq@sjtu.edu.cn
9/39
P-N结(P-N Junction)
耗尽层
第 3 章 CMOS门电路
孙卫强
继电器逻辑电路
20世纪30年代，贝尔实验室第一部二进制加法器(1937)和后来的复 数运算器(1940)，采用继电器逻辑（Relay Logic）
输入A 高 高 低 低
输入B 高 低 低 高
输出 高 低 低 低
sunwq@sjtu.edu.cn
2/32
简单的回顾
16/39
MOS晶体管结构
Source:源极 Gate:栅极 Drain:漏极
n+
n+
p+
p+
p类型基底 NMOS晶体管
n类型基底 PMOS晶体管
sunwq@sjtu.edu.cn
17/39
MOS晶体管工作原理
源极 (S) 栅极(G) Vgs 漏极(D) Vds
p类型基底
以NMOS晶体管为例 Vgs > 0
反相器/与非门/或非门/与或非门/或与非门
sunwq@sjtu.edu.cn
22/39
CMOS反相器
sunwq@sjtu.edu.cn
23/39
CMOS反相器的开关模型
sunwq@sjtu.edu.cn
24/39
CMOS反相器的另一种表示法
sunwq@sjtu.edu.cn
25/39
CMOS与非门
sunwq@sjtu.edu.cn
14/39
部分小结
本征半导体 半导体掺杂(P型掺杂、N型掺杂) P-N结 双极型器件(二极管/三极管)
sunwq@sjtu.edu.cn
15/39
内容提要
半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路
sunwq@sjtu.edu.cn