3第三章讲义集成逻辑门

半导体器件简介
• 三极管T（Triode）
– 三极管是在一块半导体基片上制作两个相距 很近的PN结，两个PN结把半导体分成三部 分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和 集电区，排列方式有PNP和NPN两种
– 从三个区引出相应的电极，分别为基极b发 射极e和集电极c。
半导体器件简介
• MOS场效应管
– （PN junction）
PN结
• 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的 电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而 电离杂质（离子）是固定不动的 。
• N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。 • 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半
导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导 体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此 在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分 布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。 • P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一 边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电 场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
– MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效 应管，英文缩写为MOSFET（Metal-OxideSemiconductor Field-Effect-Transistor），属 于绝缘栅型。
– 其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层 二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。
场效应管
• 它也分N沟道管和P沟道管， • 它和三极管一样，也有三个引脚，分别
• 反向特性
– 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二 极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称 为反向偏置。
– 二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电 流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二 极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
二极管的稳态开关特性
二极管伏安特性
iDIseqD v /kT 1
理想二极管开关特性 二极管特性折线简化
Vi<Vth时，二极管截止，iD=0。 Vi>Vth时，二极管导通。
二极管的瞬态开关特性
理想二极管开关特性
二极管瞬态开关特性
2、三极管的开关特性
NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间 电 压
ce 间 等 效 电 阻
截止 iB＝ 0 发射结反偏 集电结反偏 uBE< 0， uBC< 0 iC＝ 0
uCE＝ VCC
很大， 相当开关断开
放大 0＜ iB＜ IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE> 0， uBC< 0 iC＝ β iB uCE＝ VCC－
– 当不存在外加电压时，处于电平衡状态。 – 当外界有正向电压偏置时，引起正向电流。 – 当外界有反向电压偏置时，形成在一定反向电压范
围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 – 当外加的反向电压高到一定程度时，产生了数值很
大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管
• 正向特性
– 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极 管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
3第三章集成逻辑门
半导体器件的开关特性 和分立元件门电路
•半导体器件简介
•PN结 •二极管 •三极管 •场效应管
•半导体器件的开关特性 •第三章概述
半导体器件简介
• PN结
– 采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半 导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就 形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导 电性。
是
– 栅极Gate，G – 源极Source，S – 漏极Drain，D
半导体器件的开关特性
逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电 路。简称门电路。
基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。
逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。
正逻辑：高电平表示 逻辑1，低电平表示0
iC R c
可变
饱和
iB＞ IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE> 0， uBC> 0
iC＝ ICS ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱCE ＝ U CE S＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
三极管的稳态开关特性
基本单管共射电路
单管共射电路直流传输特性
4
PN结
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。
• 如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则 空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区 变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。
• PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增 强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增 大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结 烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。
半导体器件简介
• 二极管D（Diode）
– 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的 p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自 建电场。
负逻辑：低电平表示 逻辑1，高电平表示0
逻辑1 +Vcc
逻辑0 +Vcc
逻辑0
0V
逻辑1
0V
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
1、二极管的开关特性
二极管符号： 正极
＋ uD －
负极
理想开关
理想开关的特性： •开关S断开时，通过开关的电流i=0,这时开关两端点间呈现的电 阻为无穷大 •开关S闭合时，开关两端的电压v=0,这时开关两端点间呈现的电 阻为零 •开关S的接通或断开动作瞬间完成 •上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响
– 必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通， 流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数 值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能 直正导通。
– 导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为 0.7V），称为二极管的“正向压降”。