数字逻辑与数字系统,逻辑门电路讲解

多子扩散电流 少子漂移电流
动态平衡： 扩散电流 ＝ 漂移电流 势垒 UO
硅 0.5V 锗 0.1V
总电流＝0
2. PN结的单向导电性
(1) 加正向电压（正偏）——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。 外电场削弱内电场 →耗尽层变窄 →扩散运动＞漂移运动 →多子扩散形成正向电流I
以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路 输入特性曲 线的分区： 死区、非线 性区、线性 区。
共发射极接法输入特性曲线
输出特性曲线可以分为三个区域:
• 以集电极c和发射极e之间的回路作为输出回路
饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7V。
此时发射结正偏，集电结也正偏。 截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。 饱和区
u
UD
u
-
UD
导通压降
U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。
理想二极管模型
+
u
i
i
正偏
反偏
+
u
u
i
-
三. 二极管的主要参数 二极管长期连续工
(1) 最大整流电流IF—— (2) 反向击穿电压UBR———
作时，允许通过二 极管的最大整流 电流的平均值。 二极管反向电流 急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿 电压UBR。
电路。 CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管组成的互补
MOS (Complementary)集成电路，属单极性数字集成电路。
2.1 基本逻辑门电路
⒈二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。
12V 3.9kΩ DA
VCC RC
⑴VA=VB=3V。由于R接 到 电 源 +12V 上 ， 故 DA 、 DB均导通，
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。
硅原子
+4 +4 +4
电子空穴对 空穴 P型半导体 －
+4 +3 +4
空穴
－ － －
－ － －
－ －
－ －
硼原子
+4 +4 +4
－ 受主离子
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
P型半导体
多子—电子
N型半导体
－
－ －
－
－ － 少子—电子
VCC RC F
⑶VA=0V，VB=3V， 由于DA导通， VF=0+0.7V=0.7V，DB截 止。
A
DB
B
2.1 基本逻辑门电路
⒈二极管与门
12V 3.9kΩ DA
VCC RC F
⑷VA=VB=0V，此时
DA、DB均导通。
VF=0+0.7V=0.7V
A
DB
B
2.1 基本逻辑门电路
⒈二极管与门
+4
+4
+4
电子空穴对。 外加能量越高（温度 越高），产生的电子空 穴对越多。
与本征激发相反的 现象——复合 在一定温度下，本征激 发和复合同时进行，达 到动态平衡。电子空穴 对的浓度一定。
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
电子空穴对
+4
+4
常温300K时： 10 1 . 4 10 硅： 3 cm 电子空穴对的浓度
si
Ge Ge
+4 +4
硅原子
锗原子
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
一. 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。 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”。 本征半导体的共价键结构
+4 +4 +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
在绝对温度T=0K时， 所有的价电子都被共价键 紧紧束缚在共价键中，不 会成为自由电子，因此本 征半导体的导电能力很弱 ，接近绝缘体。
束缚电子
+4
+4
+4
当温度升高或受到 光的照射时，束缚 电子能量增高，有 的电子可以挣脱原 子核的束缚，而参 与导电，成为自由
+4
空穴
+4
自由电子
+4
+4
+4
+4
电子。 自由电子产生的 同时，在其原来的共 价键中就出现了一个 空位，称为空穴。
这一现象称为本征激发，也称热激发。
可见本征激发同时产生
P
R
空 间 电 荷 区
N
+ + + + + + + + IR +
－ － － 在一定的温度下，由本 － － － 征激发产生的少子浓度是
－ － －
+ + +
一定的，故IR基本上与外 － － － 加反压的大小无关，所以 称为反向饱和电流。但IR
内电场 E
与温度有关。
EW
R
PN结加正向电压时，具有较大的正向 扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向 漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导 电性。
F
P型 半 导 体 空 间 电 荷 区 N型 半 导 体 － － － － － － － － － －
正向电流 －
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
－
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——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。 外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动 →少子漂移形成反向电流I
一 、半导体二极管的V—A特性曲线
实验曲线
i
锗 击穿电压UBR
0
(1) 正向特性 i
u
V
mA
反向饱和电流
u
导通压降
死区 电压
E
(2) 反向特性 i u
V
uA
硅：0.7 V 锗：0.3V
硅：0.5 V
锗： 0.1 V
E
二极管的模型
二极管的V—A特性
i
串联电压源模型
i
u UD
u UD
+
i
UD
0
u
A
DB
F
B
A B
&
F
2.1 基本逻辑门电路
⒉或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。
DA
A
DB
⑴VA=VB=3V，由于R
F
B
3.9kΩ 12V
接到电源-VEE（-12V）上， 故 DA 、 DB 均 导 通 。 VF=VA-VD=2.3V 。
门电路的相关概念
用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电
路，称为门电路。与基本逻辑关系相对应。常
用的门电路有：与门、或门、与非门、或非门、
异或门等。
集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器件及
连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。它 是组成一个较大数字系统的基本单元。
门电路的相关概念
集成度
门电路的相关概念
应用 目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型 三极管组成，简称TTL (Transistor-Transistor Logic)集成电
路；另一类由MOSFET构成，简称MOS (Metal-Oxide
Semiconductor) 集成电路。 TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是 三极管结构，故称TTL。 MOS电路常用两种结构，一是NMOS门电路，二是CMOS门
IB b
UD
IC c βIB e
发射结导通压降UD 硅管0.7V 锗管0.3V
截止状态
b
c
e
b
c
UD UCES
饱和状态
e饱和压降UCຫໍສະໝຸດ S 硅管0.3V 锗管0.1V半导体三极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
3DG110B
用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号
用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
－ － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + +
耗尽层 少子漂移电流
多子扩散电流
补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E 少子飘移 又失去多子，耗尽层宽，E 多子扩散
内电场E
P型 半 导 体 － － － － － － － － － － － －
耗尽层
+ + +
N型 半 导 体 + + + + + + + + +
(3) 反向电流IR——
在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。 硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极 管在微安(A)级。
3 半导体三极管
半导体三极管，也叫晶体三极管。由