第一节数字电路基础(二极管、三极管)

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集电极电流为IC=ICN+ICBO。
(4) 电流分配 关系
IC=ICN+ICBO IB=IBN+IEP-ICBO IE=IEN+IEP=ICN+IBN+IEP= ICN +ICBO +IBN+IEP-ICBO=IB+IC IE=IB+IC
2、晶体管的电流放大系数 (1) 直流电流放大系数
IC
1
(2) 电子在基区的复合和扩散 a) 发射区进入的电子与基区多子空穴复合,形成基极电流IBN。 b) 因基区浓度低,大部分电子向集电极靠近。
(3) 集电极收 集电子
a) 集电结反偏,靠近集电结的电子被吸引(漂移)到集电区,形 成ICN。 b) 集电区少子空穴与基区少子电子漂移形成集电极反向饱和 电流ICBO。
(3)集电区的几何尺寸 比发射区大,浓度低,有 利于收集载流子。
所以,发射区和集电区 不能互换。
– 二、 晶体管的工作状态
1、晶体管工作在放大状态
晶体管(三极管)工作在放大状态的条件是:发射结 正偏,集电结反偏。即对NPN型三极管有: VC>VB>VE如图:
(1) 发射区向基区发射电子
发射结正偏:发射区多子电子发射到基区,形成电子流IEN。 基区多子 空穴进入发射区,形成空穴流IEP。 发射极电流为IE=IEN+IEP,但IEN>>IEP,IE≈IEN。
A B C ABC ABC ABC ABC 0 或
A B C ABC ABC ABC ABC 0
我们把这些恒等于0的最小项称为约束项。
2.任意项 任意项指输入变量在某些取值下函数取值0、1均可,
并不影响电路功能。
【例1.28】在十字路口有红绿黄三色交通信号灯, 规定红灯亮停,绿灯亮行,黄灯亮等一等,试分 析车行与三色信号灯之间逻辑关系。
解:
显而易见,在这个函数中,有5个最小项是不会出现
的,如 A B C(三个灯都不亮)、ABC (红灯绿灯
同时亮)等。因为一个正常的交通灯系统不可能 出现这些情况,如果出现了,车可以行也可以停, 即逻辑值任意,对应的5个最小项称为任意项。
3.无关项
存在约束的情况下,由于约束项的值恒为0,所以既 可以把约束项加到逻辑函数中,也可以在逻辑函 数中删除某些约束项;同样任意项也可以写入或 不写入;因而我们把任意项和约束项统称无关项。 无关项在卡诺图中用符号×来表示其逻辑值。
通常二极管分为点接触型和面接触型两种。 它们的不同是:
二极管符号:
2、二极管伏安特性
(1) 正向导通压降:锗管约 0.3V;硅管约0.7伏。
(2) 正向导通死区电压: 锗管约0.2V;硅管约 0.5伏。
(3) 反向饱和电流 IS: 反向击穿前的电流; 饱和电流随温度上升 而迅速增大。
(4) 反向击穿电压 UBR。
(3)8个相邻的最小项结合(用一个包围圈表示), 可以消去3个取值不同的变量而合并为l项,如图所 示。
总之,2n个相邻的 最小项结合,可以 消去n个取值不同的 变量而合并为1项。
2.用卡诺图合并最小项的原则 (1)圈要尽可能大。但每个圈内只能含有2n个相邻
项。要特别注意对边相邻性和四角相邻性。
(2)圈的个数尽量少,化简后的逻辑函数的与项就 少。
耗尽层对多 子扩散起阻挡 作用,对少子 漂移起推动作 用。
2、PN结的单向导电性 (1) PN结加正向电压导通
外电场与内电场方向相反,外电场使空间电荷区变窄, 有利于扩散进行:
P区空穴N区 N区电子P区 多子导电,正 向电流从PN, PN结呈低阻状态, 导通。
(2) PN结加反向电压截止
外电场与内电场方向相同,外电场使空间电荷区变宽,不 利于扩散进行,而促使漂移进行:
硼:B +5
2,3
外层电子数为3,称3价元素
磷:P +15
2,8,5
外层电子数为5,称5价元素
(2)共价键结构 最外层由8个电子组成较稳定的共价键结构。
2、本征半导体中的两 种载流子
由于热、光等的激发, 本征半导体中的电子 将挣脱共价键的束缚 而成为“自由电子”, 同时,在原来的位置 留下一个空位称“空 穴”。
三.逻辑函数的卡诺图化简法
1.卡诺图化简逻辑函数的原理 卡诺图化简逻辑函数的原理是逻辑相邻与几何相邻 统一,当: (1)2个相邻的最小项结合(用一个包围圈表示), 可以消去1个取值不同的变量而合并为l项,如下图 所示。
(2)4个相邻的最小项结合(用一个包围圈表示), 可以消去2个取值不同的变量而合并为l项,如右图 所示。
ABC ABC AC(B B) AC
可见,利用相邻项的合并可以进行逻辑函数化简。 有没有办法能够更直观地看出各最小项之间的相 邻性呢?有。这就是卡诺图。
2.卡诺图 卡诺图是用小方格来表示最小项,一个小方格代
表一个最小项,然后将这些最小项按照相邻性排 列起来。即用小方格的几何位置上的相邻性来表 示最小项逻辑上的相邻性。
IB
1
1
I CBO
IC I B (1 )ICBO
可见,较小的基极电流,可以被放大得到较大的集电极 电流。即三极管具有电流放大作用。
(2) N 型半导体的载流子浓度 自由电子:1.5×1010×105~6 /cm3; 空穴:2.3×105 /cm3。
2、P 型半导体 在硅或锗中掺入微量的3
价元素将形成 P型半导体。 (1) P 型半导体的共
价键结构。多子电子带正 电(Positive),故称P型半 导体。
(2) P型半导体的载流子浓度 空穴:1.5×1010×105~6 /cm3; 自由电子:2.3×105 /cm3;
L B CD
L AB B CD
1.6 半导体二极管、三极管
➢ 1.6.1 本征半导体 本征半导体指完全纯净的,具有晶体结构的半导体。
1、半导体的晶体结构 (1) 硅、锗、硼、磷的原子结构图
硅:Si+14 2,8,4 外层电子数为4,称4
价元素
锗:Ge+32 2,8,18,4 外层电子数为4,称4价元素
3、本征激发的特点
(1) 自由电子和空穴数量相等,形成电子空穴 对,自由电子和空穴浓度均约为:1.5×1010/cm3。
(2) 无电场作用时,电子、空穴运动不具有方 向性,不形成电流。
(3) 在电场作用下,空穴顺电场方向运动,形成 空穴流;自由电子逆电场方向运动,形成电子流。 半导体具有两种载流子参与导电。
压UBR的一半作UR 。
3、反向电流IR 二极管未击穿时的电流,它越小,二极管的单向导电
性越好。IR 对温度非常敏感。
4、最高工作频率fM 是指二极管允许的最高工作频率,当工作频率超过此
值时,将不能很好地体现二极管的单向导电性。它 的值取决于PN结结电容的大小,电容越大,频率越 低。
5、常用二极管 型号及参数 P98~99,表4-1;表4-2。
解: 该函数为三变量,先画出三变量卡诺图,然后根 据表1.3 将8个最小项对应的L取值0或者1填入卡诺 图中对应的8个小方格中即可,如图
2.从逻辑表达式到卡诺图 (1)如果逻辑表达式为最小项表达式,则只要将函
数式中出现的最小项在卡诺图对应的小方格中填入 1,没出现的最小项则在卡诺图对应的小方格中填 入0。 【例1.22】用卡诺图表示逻辑函数
第一章 数字电路基础
• 1.4 逻辑函数的卡诺图化简
卡诺图由美国工程师卡诺(Karnaugh)发明。
一.卡诺图
1.相邻最小项 如果两个最小项中只有一个变量互为反变量,其
它变量均相同,则称这两个最小项为逻辑相邻, 简称相邻项。 如果两个相邻最小项出现在同一个逻辑函数中, 可以合并为一项,同时消去互为反变量的那个量。 如:
F AD AB D A B C D A BCD
【例1.26】已知逻辑函数 (见例1.16),试用卡诺图
化简该逻辑函数。
L AB BC BC AB
4.卡诺图化简逻辑函数的另一种方法——圈0法 【例1.27】 已知逻辑函数的卡诺图如图1.20所示,分
别用“圈0法”和“圈1法”写出其最简与—或式。
带有无关项的逻辑函数的最小项表达式为: L=∑m( )+∑d( )
百度文库如上例函数可写成L=∑m(2)+∑d(0,3,5,6,7)
二.具有无关项的逻辑函数的化简
化简具有无关项的逻辑函数时,要充分利用无关项可以 当0也可以当1的特点,尽量扩大卡诺圈,使逻辑函数 更简。如上例:
【例1.29】某逻辑函数输入是8421BCD码,其逻辑表 达式为L(A,B,C,D)=∑m(1,4,5,6,7,9)+∑d (10,11,12,13,14,15),用卡诺图法化简该逻辑函数
圈0法得 :L BC D
L BC D B C D
圈1法得 : L BCD
• 1.5具有无关项的逻辑函数的化简卡诺图
一.约束项、任意项和是无关项
1.约束项 在具体逻辑电路中,某些逻辑变量的取值不是 任意的;对输入变量取值所加的限制称为约束, 同时,把这一组变量称为具有约束的一组变量。
设A、B、C分别表示一台电动机的正转、反转和 停止,则ABC取值只能是001、010、100而不能 是其它5种组合。即具有约束:
3、二极管等效电路(模型) (1)理想二极管模型
(2)考虑正向压降的二 极管模型
• 二、二极管主要参数
1、最大整流电流IF 是指二极管允许通过的最大正向平均电流。其值与PN
结面积及外部散热条件有关。若二极管平均电流长 期超过此值,将因PN结过热而烧坏。
2、最大反向工作电压UR 是指二极管允许的最大工作电压,我们一般取击穿电
卡诺图实际上是真值表的一种变形,真值表中的 最小项是按照二进制加法规律排列的,而卡诺图 中的最小项则是按照相邻性排列的。
3.卡诺图的结构
(1)二变量卡诺图 (2)三变量卡诺图
(3)四变量卡诺图
二.用卡诺图表示逻辑函数
1.从真值表到卡诺图 【例1.21】 三变量多数表决电路逻辑真值表如表1.3
所示,用卡诺图表示该逻辑函数。
(4) 自由电子和空穴数量与温度有关。
➢ 1.6.2 N型半导体和P型半导体 在本征半导体中,由于空穴电子对较少,导电能力较低,
掺入3价或5价元素,将有助于提高半导体的导电能力。
1、N 型半导体
在硅或锗中掺入微量 的5价元素将形成N型半 导体。
(1) N 型半导体的 共价键结构。多子电子 带负电(Negative),故 称N型半导体。
F A B C ABC ABC ABC
解:F m0 m3 m6 m7
(2)如果逻辑表达式不是最小项表达式,但是“与或表达式”,可将其先化成最小项表达式,再填入 卡诺图。也可直接填入卡诺图。
【例1.23】用卡诺图表示逻辑函数 G AB BCD 解:
3)如果逻辑表达式不是“与—或表达式”,可先将 其化成“与—或表达式”再填入卡诺图。
3、半导体材料的载流子浓度特殊性 (1) 多数载流子浓度取决于“掺杂”浓度; (2) 少数载流子浓度(或纯净半导体载流子浓度)主要 受热、光的影响。
➢1.6.3 PN结特性
1、PN 结的形成 扩散运动:由浓度差而引起的运动。 漂移运动:由于内电场作用使P区的电子和N区的空
穴向对方运动。
扩散和漂移 平衡形成空间 电荷区(耗尽 层)。
(3)卡诺图中所有取值为1的方格均要被圈过,即不 能漏下取值为1的最小项。
(4)取值为1的方格可以重复被圈,但每个卡诺圈中 至少要含有1个末被其它卡诺圈圈过的方格,否则 该包围圈是多余的。
3.用卡诺图化简逻辑函数举例 【例1.24】 用卡诺图化简逻辑函数: L(A,B,C,D)=∑m(0,2,3,4,6,7,10,11,13,14,15) 【例1.25】 用卡诺图化简逻辑函数:
国产二极管的型号命名及含义
• 1.6.4 双极型晶体管
本节我们讨论的双极型晶体管由两种类型(P型,N型) 的半导体材料构成,故名。通常称三极管或晶体管。
– 一、晶体管结构
1、分类
2、结构示意图及符号
3、基区、发射区、集电区特点
(1)发射区掺杂浓度远 大于基区,有利于多子向 基区发射。
(2)基区很薄,掺杂少, 有利于载流子通过基区, 且被复合的也少。
N区空穴P区
P区电子N区
少子导电,形成反向饱和电流,从NP,PN结呈高阻状 态,称反偏截止。
3、PN结的温度特性和电容效应 温度的升高会导致反向电流的迅速变大;在高频电路
中则必须考虑二极管中的电容效应。
• 1.6.3 半导体二极管
• 一、二极管的结构和伏安特性 1、二极管的结构和符号
二极管实际上就是PN结,只是加上外壳和 引脚而已。
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