数电第二章
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+VCC £ +5V£ ¨ © R +VCC £ +5V£ ¨ ©
A B C
T 22 Ve 2 Re 2 1kΩ
1
T1
2T 3
输入级
中间级
输出级
R b1 N
3
1
图2－10 TTL与非门电路
A B C
N N N
P P P
P
A B C
T1
（a）二极管与门 图2－11
（b）多发射极三极管 TTL与非门输入级的由来
1．三极管的三种工作状态
（1）截止
I B I CBO 0
I C I CEO 0
VCE≈VCC
}
1
三极管工作在截止区的特点就是电流 很小，集电极回路中的c、e之间近 似开路，相当于开关断开。
（2）放大
RC
+V CC VCC/RC I CS iC
iC IB5 E D C B A 0.7V VCC (b) IB4 = IBS IB3 IB2 IB1 I B =0 vCE
2.1.3基本逻辑门电路
1．二极管与门电路 （1）VA=VB=0V。此时二极管D1和D2都导通，由于二极管正向导通时 的钳位作用，VL≈0V。 （2）VA=0V，VB=5V。此时二极管D1导通，由于钳位作用，VL≈0V， D2受反向电压而截止。 （3）VA=5V，VB=0V。此时D2导通，VL≈0V，D1受反向电压而截止。 （4）VA=VB=5V。此时二极管D1和D2都截止，VL=VCC=5V。
第二，中间级。 在电路的开通过程中利用T2的放大作用，为输出管提供较大的基极电 流，加速了输出管的导通，提高输出管的开通速度。另外T2和电阻RC2 、 RE2组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2 ，以产生两个互补的信号去 驱动T3、T4组成的推拉式输出级。
第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将 三极管T3的集电极负载电阻RC换成由三极管T4 、二极管D和 RC4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱 动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种 结构，称为推拉式输出级。
3 1
1.6kΩ 5V
3
T 4 导通 2 D 导通 Vo
3
4.3V 截止
1
3
1
T 22
Rc 2 1.6kΩ 1V
3 1
Rc 4 130Ω
3
T1 饱和 Re 2 1kΩ
3.6V
B 0 1 0 1 0 0 0 1
L AB
2．二极管或门电路
D1 A D2 B A R 3kΩ B ≥1 L=A+B L
L=A+B 表2－4 或门输入输出电压的关系
输入 VA 0 0 5 5 VB 0 5 0 5 输出 VL（V） 0 5 5 5
(a)
(b)
（a）电路 （b）逻辑符号 图2－8 二极管或门
正向导通区
反向截止区
i I S (e
V
VT
1)
VT nkT
q
反向击穿区
K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷
2.1 基本逻辑门电路
门电路： 能够实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路。逻辑门电路 是最基本的逻辑元件。逻辑门电路可以用二极管、三极管 等分立元件组成。
2.1.1二极管的开关特性
2．TTL与非门的工作原理
（1）输入全为高电平3.6V时， 工作情况如图2-12所示。 输出电压为：VO =VCES3 ≈ 0.3V
+VCC（+ 5V） R b1 4kΩ 2.1V A B C 3.6V
1
+VCC Rc 2 R b1 4kΩ 3.6V A B C 0.3V 1V
1
Rc 4 130Ω
VI VON , 并有对应的 iC i B流过 RC RB
于是得到 VO VCE VCC iC R C VCC i B R C 。 所以 VI i B iC VO , 三极管工作在放大区 AV VO VI
(3) 当VI 继续上升， i B 继续上升， VO 继续下降。 当RC 上压降接近于 VCC时， VO 0。 三极管工作在深饱和状 态VO VOL VCE ( sat ) 0。
（3）饱和 特点就是VCES很小，集电极回 路中的c、e之间近似短路，相 当于开关闭合。
Rb + VI － iB
b
c 3 T 2 e
(a)
(a) 电路 （b）三种工作状态图解
图2－5 BJT的三种工作状态
2．三极管开关的动态特性
如下4个开关参数：
（1）延迟时间td——从输入信号vi正跳变的 瞬间开始，到集电极电流iC上升到0.1iCS所 需的时间。是给发射结的结电容充电。使 空间电荷区逐渐由宽变窄所需要的时间。 （2）上升时间tr——集电极电流 从0.1I CS上升到0.9ICS 所需的时间。 是给发射结的扩散电容充电，即 在基区逐渐积累电子，形成一定 的浓度梯度所需的时间。
管芯 + 三个引出电极 + 外壳
发射区 高掺杂
基区薄 低掺杂
集电区 低掺杂
以NPN为例说明工作原理：
当VCC >>VBB be 结正偏, bc结 反偏
e区发射大量的电 子 b区薄，只有少量 的空穴 bc反偏，大量电 子形成IC
二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN）
表2－5 或逻辑真值表
输入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 输出 L 0 1 1 1
3．三极管非门电路
+V CC (+5V) RC Rb A
3 1
L A 1 L=A
T 2
逻辑关系：
(a) (b)
（a）电路
（b）逻辑符号
L A
图2－9 三极管非门
表2－6 非门输入输出电压的关系
表2－7 非逻辑真值表
ts
tt
称为存储时间， 称为渡越时间 称为反向恢复时间
t re t s t t
二极管正向导通和反向截止之间的转换过程，并不是在瞬 间完成，而是需要一定的延迟时间才能转换完毕，这个时 间称为二极管的开关时间。
3．产生反向恢复过程的原因
P区
耗尽层
N区
产生反向恢复过程的原因：电荷存储效应
－
(a)
输入VA （V） 0 5
输出VL （V） 5 0
输入A 0 1
输出L 1 0
2.2 TTL逻辑门电路
2.2.1 TTL与非门的基本结构及工作原理
+VCC（+5V） Rc 2 R b1 4kΩ
1
Rc 4 130Ω
3 1
1.6kΩ Vc 2
T4 2 D Vo
3
3 3 1
首先，考虑输入级，多发射极晶体 管T1在电路中起着“与”门的作用
图解分析法：
VCE VCC RC iC VCC RC iB VRC RC iC
四、三极管的开关等效电路
截止状态 饱和导通状态
五、动态开关特性
从二极管已知， PN结存在电容效 应。
在饱和与截止两个 状态之间转换时， iC的变化将滞后于 VI，则VO的变化也 滞后于VI。
2.1.2 三极管的开关特性
0 t1 VR
t
VF
VR
i
ts
+ vi
跃变为负值， 产生很大反向电流 一段时间： s t
D
IR
i RL
(c)
IF 0 t1 i IS t
－ (a) IF 0 (d)
tt
0.1 I R
t
t1 IR ts tt
把二极管从正向导通转为 反向截止所经过的转换过 程称为反向恢复过程。 (a)电路
(b)输入电压波形 (c)理想电流波形 (d)实际电流波形 图2－3 二极管开关的动态特性
第2章 逻辑门电路
[主要内容及学习要求] 在上一章里，我们初步认识了与、或、非三种基本逻辑运算 和与非、或非、异或等常用逻辑运算，在那里，这些运算关系都 是用逻辑符号来表示的。而在工程中每一个逻辑符号都对应着一 种电路，并通过集成工艺做成一种集成器件，称为集成逻辑门电 路，逻辑符号仅是这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。本章将逐 步揭开这些“黑匣子”的奥秘，在介绍二极管和三极管开关特性 的基础上，简要介绍分离元件与门、或门、非门以及由它们组成 的与非门和或非门的逻辑功能；然后，重点讨论集成逻辑门电路 的两种主要类型TTL和MOS门电路的工作原理、逻辑功能及外部特 性，同时对内部结构也作简要介绍，最后还介绍了他们的正确使 用方法。
特性曲线分三个部分 ① 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 ② 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加 变缓，趋于“饱和”。 ③ 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。
本章内容
2.1 基本逻辑门电路
2.2 TTL逻辑门电路 2.3 MOS门电路
本章小结
半导体基础知识（1）
两种载流子
本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 常用：硅Si，锗Ge
半导体基础知识（2）
杂质半导体(磷、砷、 锑) N型半导体
多子：自由电子 少子：空穴
半导体基础知识（2）
+
P 区中电子 浓度分布 (b)
VF
N 区中空穴 浓度分布
由于二极管外加正向电压时，P区空穴 向N区扩散 ，使耗尽层（势垒区）变窄
Ln
x Lp
(a) PN结结构示意图
（b）PN结少子浓度分布
我们把正向导通时，非平衡少 数载流子积累的现象叫做电荷 存储效应
图2－4 PN结示意图
Hale Waihona Puke Baidu、双极型三极管的结构
通过本章的学习应掌握以下几点：
1．了解二极管和三极管的开关特性，掌握基本逻辑 运算及基本的门电路（与、或、与非、或非、异或 门等）的逻辑功能； 2．掌握TTL和MOS逻辑门电路的功能、特性参数和使 用方法； 3．掌握OC门和三态门的电路结构特点，并能够进行 应用； 4．了解逻辑门在使用时应注意的问题。
i C f ( VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
只要参数合理：
VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL
工作状态分析：
(1) 设VI VIL 0, 则VBE VON
( 2) 当VI 上升至 VON 后， 有i B 产生, i B
T截止， iB , iC 近似为0。
杂质半导体（硼、铝、 铟等） P型半导体
多子：空穴 少子：自由电子
半导体基础知识（3）
PN结的形成 空间电荷区
（耗尽层）
扩散和漂移
半导体基础知识（4）
PN结的单向 导电性 外加正向电压
半导体基础知识（4）
PN结的单向 导电性 外加反向电压
半导体基础知识（5）
PN结的伏安特性
1．二极管开关的静态特性
VF D IF K IF
RL
VF
RL
(a)
(b)
(a)加正向电压 (b)等效电路 二极管加正向电压
D IS VR RL VR
K
RL
(a)
(a)加反向电压 (b)等效电路 二极管加反向电压
(b)
2．二极管开关的动态特性
动态工作过程
VF vi
vi VF Vth
导通
(b)
(a)
vI V1
0 V2
t
I CS
iC
(b)
I CEO I CS 0.9ICS iC t
(c)
0.1 ICS t tr td tS tf
（a）输入电压波形
（b）理想的集电极电流波形
（c）实际的集电极电流波形 图2－6 BJT开关的动态特性
（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬 间开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时 间。是消散超量存储电荷所需的时间。饱和越 深，超量存储电荷越多，存贮时间tS越长；而 反向基极电流越大，超量存贮电和消散得越快， tS越短。 （4）下降时间tf ——集电极电流从0.9ICS下降到 0.1ICS所需的时间。是继续消散临界饱和状态时为 建立浓度梯度而在基区中积累的电荷，即给发射结 的扩散电容放电所需的时间。 td和tr之和称为开通时间ton，即ton = td + tr；ts 和tf之和称为关闭时间toff ，即toff = ts + tf 。
VON ：开启电压
硅管，0.5 ~ 0.7V 锗管，0.2 ~ 0.3V
近似认为: VBE < VON iB = 0 VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
VBB VBE iB Rb
三极管的输出特性
固定一个IB值，即得一条曲线， iC f (VCE ) 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
+VCC (+5V)
R D1 A D2 B
3kΩ L A B (b) & L=A· B
(a)（a）电路
（b）逻辑符号
图2－7 二极管与门
表2－2 与门输入输出电压的关系
输入 VA（V） 0 0 5 5 VB（V） 0 5 0 5 输出 VL（V）
表2－3 与逻辑真值表
0 0 0 5
输入 输出 L
A 0 0 1 1
A B C
T 22 Ve 2 Re 2 1kΩ
1
T1
2T 3
输入级
中间级
输出级
R b1 N
3
1
图2－10 TTL与非门电路
A B C
N N N
P P P
P
A B C
T1
（a）二极管与门 图2－11
（b）多发射极三极管 TTL与非门输入级的由来
1．三极管的三种工作状态
（1）截止
I B I CBO 0
I C I CEO 0
VCE≈VCC
}
1
三极管工作在截止区的特点就是电流 很小，集电极回路中的c、e之间近 似开路，相当于开关断开。
（2）放大
RC
+V CC VCC/RC I CS iC
iC IB5 E D C B A 0.7V VCC (b) IB4 = IBS IB3 IB2 IB1 I B =0 vCE
2.1.3基本逻辑门电路
1．二极管与门电路 （1）VA=VB=0V。此时二极管D1和D2都导通，由于二极管正向导通时 的钳位作用，VL≈0V。 （2）VA=0V，VB=5V。此时二极管D1导通，由于钳位作用，VL≈0V， D2受反向电压而截止。 （3）VA=5V，VB=0V。此时D2导通，VL≈0V，D1受反向电压而截止。 （4）VA=VB=5V。此时二极管D1和D2都截止，VL=VCC=5V。
第二，中间级。 在电路的开通过程中利用T2的放大作用，为输出管提供较大的基极电 流，加速了输出管的导通，提高输出管的开通速度。另外T2和电阻RC2 、 RE2组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2 ，以产生两个互补的信号去 驱动T3、T4组成的推拉式输出级。
第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将 三极管T3的集电极负载电阻RC换成由三极管T4 、二极管D和 RC4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱 动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种 结构，称为推拉式输出级。
3 1
1.6kΩ 5V
3
T 4 导通 2 D 导通 Vo
3
4.3V 截止
1
3
1
T 22
Rc 2 1.6kΩ 1V
3 1
Rc 4 130Ω
3
T1 饱和 Re 2 1kΩ
3.6V
B 0 1 0 1 0 0 0 1
L AB
2．二极管或门电路
D1 A D2 B A R 3kΩ B ≥1 L=A+B L
L=A+B 表2－4 或门输入输出电压的关系
输入 VA 0 0 5 5 VB 0 5 0 5 输出 VL（V） 0 5 5 5
(a)
(b)
（a）电路 （b）逻辑符号 图2－8 二极管或门
正向导通区
反向截止区
i I S (e
V
VT
1)
VT nkT
q
反向击穿区
K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷
2.1 基本逻辑门电路
门电路： 能够实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路。逻辑门电路 是最基本的逻辑元件。逻辑门电路可以用二极管、三极管 等分立元件组成。
2.1.1二极管的开关特性
2．TTL与非门的工作原理
（1）输入全为高电平3.6V时， 工作情况如图2-12所示。 输出电压为：VO =VCES3 ≈ 0.3V
+VCC（+ 5V） R b1 4kΩ 2.1V A B C 3.6V
1
+VCC Rc 2 R b1 4kΩ 3.6V A B C 0.3V 1V
1
Rc 4 130Ω
VI VON , 并有对应的 iC i B流过 RC RB
于是得到 VO VCE VCC iC R C VCC i B R C 。 所以 VI i B iC VO , 三极管工作在放大区 AV VO VI
(3) 当VI 继续上升， i B 继续上升， VO 继续下降。 当RC 上压降接近于 VCC时， VO 0。 三极管工作在深饱和状 态VO VOL VCE ( sat ) 0。
（3）饱和 特点就是VCES很小，集电极回 路中的c、e之间近似短路，相 当于开关闭合。
Rb + VI － iB
b
c 3 T 2 e
(a)
(a) 电路 （b）三种工作状态图解
图2－5 BJT的三种工作状态
2．三极管开关的动态特性
如下4个开关参数：
（1）延迟时间td——从输入信号vi正跳变的 瞬间开始，到集电极电流iC上升到0.1iCS所 需的时间。是给发射结的结电容充电。使 空间电荷区逐渐由宽变窄所需要的时间。 （2）上升时间tr——集电极电流 从0.1I CS上升到0.9ICS 所需的时间。 是给发射结的扩散电容充电，即 在基区逐渐积累电子，形成一定 的浓度梯度所需的时间。
管芯 + 三个引出电极 + 外壳
发射区 高掺杂
基区薄 低掺杂
集电区 低掺杂
以NPN为例说明工作原理：
当VCC >>VBB be 结正偏, bc结 反偏
e区发射大量的电 子 b区薄，只有少量 的空穴 bc反偏，大量电 子形成IC
二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN）
表2－5 或逻辑真值表
输入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 输出 L 0 1 1 1
3．三极管非门电路
+V CC (+5V) RC Rb A
3 1
L A 1 L=A
T 2
逻辑关系：
(a) (b)
（a）电路
（b）逻辑符号
L A
图2－9 三极管非门
表2－6 非门输入输出电压的关系
表2－7 非逻辑真值表
ts
tt
称为存储时间， 称为渡越时间 称为反向恢复时间
t re t s t t
二极管正向导通和反向截止之间的转换过程，并不是在瞬 间完成，而是需要一定的延迟时间才能转换完毕，这个时 间称为二极管的开关时间。
3．产生反向恢复过程的原因
P区
耗尽层
N区
产生反向恢复过程的原因：电荷存储效应
－
(a)
输入VA （V） 0 5
输出VL （V） 5 0
输入A 0 1
输出L 1 0
2.2 TTL逻辑门电路
2.2.1 TTL与非门的基本结构及工作原理
+VCC（+5V） Rc 2 R b1 4kΩ
1
Rc 4 130Ω
3 1
1.6kΩ Vc 2
T4 2 D Vo
3
3 3 1
首先，考虑输入级，多发射极晶体 管T1在电路中起着“与”门的作用
图解分析法：
VCE VCC RC iC VCC RC iB VRC RC iC
四、三极管的开关等效电路
截止状态 饱和导通状态
五、动态开关特性
从二极管已知， PN结存在电容效 应。
在饱和与截止两个 状态之间转换时， iC的变化将滞后于 VI，则VO的变化也 滞后于VI。
2.1.2 三极管的开关特性
0 t1 VR
t
VF
VR
i
ts
+ vi
跃变为负值， 产生很大反向电流 一段时间： s t
D
IR
i RL
(c)
IF 0 t1 i IS t
－ (a) IF 0 (d)
tt
0.1 I R
t
t1 IR ts tt
把二极管从正向导通转为 反向截止所经过的转换过 程称为反向恢复过程。 (a)电路
(b)输入电压波形 (c)理想电流波形 (d)实际电流波形 图2－3 二极管开关的动态特性
第2章 逻辑门电路
[主要内容及学习要求] 在上一章里，我们初步认识了与、或、非三种基本逻辑运算 和与非、或非、异或等常用逻辑运算，在那里，这些运算关系都 是用逻辑符号来表示的。而在工程中每一个逻辑符号都对应着一 种电路，并通过集成工艺做成一种集成器件，称为集成逻辑门电 路，逻辑符号仅是这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。本章将逐 步揭开这些“黑匣子”的奥秘，在介绍二极管和三极管开关特性 的基础上，简要介绍分离元件与门、或门、非门以及由它们组成 的与非门和或非门的逻辑功能；然后，重点讨论集成逻辑门电路 的两种主要类型TTL和MOS门电路的工作原理、逻辑功能及外部特 性，同时对内部结构也作简要介绍，最后还介绍了他们的正确使 用方法。
特性曲线分三个部分 ① 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 ② 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加 变缓，趋于“饱和”。 ③ 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。
本章内容
2.1 基本逻辑门电路
2.2 TTL逻辑门电路 2.3 MOS门电路
本章小结
半导体基础知识（1）
两种载流子
本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 常用：硅Si，锗Ge
半导体基础知识（2）
杂质半导体(磷、砷、 锑) N型半导体
多子：自由电子 少子：空穴
半导体基础知识（2）
+
P 区中电子 浓度分布 (b)
VF
N 区中空穴 浓度分布
由于二极管外加正向电压时，P区空穴 向N区扩散 ，使耗尽层（势垒区）变窄
Ln
x Lp
(a) PN结结构示意图
（b）PN结少子浓度分布
我们把正向导通时，非平衡少 数载流子积累的现象叫做电荷 存储效应
图2－4 PN结示意图
Hale Waihona Puke Baidu、双极型三极管的结构
通过本章的学习应掌握以下几点：
1．了解二极管和三极管的开关特性，掌握基本逻辑 运算及基本的门电路（与、或、与非、或非、异或 门等）的逻辑功能； 2．掌握TTL和MOS逻辑门电路的功能、特性参数和使 用方法； 3．掌握OC门和三态门的电路结构特点，并能够进行 应用； 4．了解逻辑门在使用时应注意的问题。
i C f ( VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
只要参数合理：
VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL
工作状态分析：
(1) 设VI VIL 0, 则VBE VON
( 2) 当VI 上升至 VON 后， 有i B 产生, i B
T截止， iB , iC 近似为0。
杂质半导体（硼、铝、 铟等） P型半导体
多子：空穴 少子：自由电子
半导体基础知识（3）
PN结的形成 空间电荷区
（耗尽层）
扩散和漂移
半导体基础知识（4）
PN结的单向 导电性 外加正向电压
半导体基础知识（4）
PN结的单向 导电性 外加反向电压
半导体基础知识（5）
PN结的伏安特性
1．二极管开关的静态特性
VF D IF K IF
RL
VF
RL
(a)
(b)
(a)加正向电压 (b)等效电路 二极管加正向电压
D IS VR RL VR
K
RL
(a)
(a)加反向电压 (b)等效电路 二极管加反向电压
(b)
2．二极管开关的动态特性
动态工作过程
VF vi
vi VF Vth
导通
(b)
(a)
vI V1
0 V2
t
I CS
iC
(b)
I CEO I CS 0.9ICS iC t
(c)
0.1 ICS t tr td tS tf
（a）输入电压波形
（b）理想的集电极电流波形
（c）实际的集电极电流波形 图2－6 BJT开关的动态特性
（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬 间开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时 间。是消散超量存储电荷所需的时间。饱和越 深，超量存储电荷越多，存贮时间tS越长；而 反向基极电流越大，超量存贮电和消散得越快， tS越短。 （4）下降时间tf ——集电极电流从0.9ICS下降到 0.1ICS所需的时间。是继续消散临界饱和状态时为 建立浓度梯度而在基区中积累的电荷，即给发射结 的扩散电容放电所需的时间。 td和tr之和称为开通时间ton，即ton = td + tr；ts 和tf之和称为关闭时间toff ，即toff = ts + tf 。
VON ：开启电压
硅管，0.5 ~ 0.7V 锗管，0.2 ~ 0.3V
近似认为: VBE < VON iB = 0 VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
VBB VBE iB Rb
三极管的输出特性
固定一个IB值，即得一条曲线， iC f (VCE ) 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
+VCC (+5V)
R D1 A D2 B
3kΩ L A B (b) & L=A· B
(a)（a）电路
（b）逻辑符号
图2－7 二极管与门
表2－2 与门输入输出电压的关系
输入 VA（V） 0 0 5 5 VB（V） 0 5 0 5 输出 VL（V）
表2－3 与逻辑真值表
0 0 0 5
输入 输出 L
A 0 0 1 1