第三章數(shù)字電子

第三章數(shù)字電子第1頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、本征半導(dǎo)體

導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。無(wú)雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體——是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等低價(jià)金屬元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。

絕緣體－－橡皮、陶瓷、塑料等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。

半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。第2頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵晶體中原子的排列方式第3頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)（熱激發(fā)），具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵

一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。第4頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三載流子

外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。

3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。第5頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）

N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，電子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子

空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？第6頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng).第7頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?/p>

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生空間電荷區(qū)，形成內(nèi)電場(chǎng)。第8頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)的形成

少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。

參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)

形成的內(nèi)電場(chǎng)，不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)利于漂移運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。第9頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三PN結(jié)加正向電壓：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘?0頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性材料開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開(kāi)啟電壓反向飽和電流反向擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量第11頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第三章門(mén)電路第12頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1概述門(mén)電路：實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算、復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路，如與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、與非門(mén)、······門(mén)電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0第13頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三獲得高、低電平的基本原理第14頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1

高/低電平都允許有一定的變化范圍第15頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2半導(dǎo)體二極管門(mén)電路

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

（Diode）將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。第16頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.1二極管的開(kāi)關(guān)特性：

1、二極管開(kāi)關(guān)電路高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0vI=VIH

D截止，vO=VOH=VCCvI=VIL

D導(dǎo)通，vO=VOL=0.7VVCC=5V第17頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、二極管的開(kāi)關(guān)等效電路：第18頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.2二極管與門(mén)設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111規(guī)定2V以上為10.8V以下為03.7V0.7V0.7V0.7V第19頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.3二極管或門(mén)設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111規(guī)定2V以上為10.8V以下為02.3V2.3V2.3V0V第20頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二極管構(gòu)成的門(mén)電路的缺點(diǎn)電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路第21頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3CMOS門(mén)電路

3.3.1MOS管的開(kāi)關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層第22頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工作原理：（以N溝道增強(qiáng)型為例）

加上

D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0

第23頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工作原理：（以N溝道增強(qiáng)型為例）加上開(kāi)啟電壓當(dāng)足夠大至

≥VGS(th)時(shí),D-S間形成N型反型層（導(dǎo)電溝道）

vGS越大，反型層（導(dǎo)電溝道）越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。第24頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、輸入特性和輸出特性1、輸入特性：輸入電流為0，看進(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。2、輸出特性：

iD=f()對(duì)應(yīng)不同的下得一族曲線（漏極特性曲線）。

分三個(gè)區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)第25頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)）（1）截止區(qū)：<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω截止區(qū)第26頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)）（2）恒流區(qū)：iD基本上由決定，與

關(guān)系不大截止區(qū)恒流區(qū)第27頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三截止區(qū)恒流區(qū)漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)）（3）可變電阻區(qū)：當(dāng)

較低，

一定時(shí)， 這個(gè)電阻受

控制、可變。可變電阻區(qū)第28頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、MOS管的基本開(kāi)關(guān)電路第29頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)第30頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五、MOS管的四種類型增強(qiáng)型(1)N溝道(2)P溝道第31頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三耗盡型(1)N溝道(2)P溝道大量正離子導(dǎo)電溝道第32頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)輸入和輸出之間為邏輯非—非門(mén)（反向器）T1T2工作時(shí)處于互補(bǔ)狀態(tài)—互補(bǔ)對(duì)稱式金屬-氧化物-半導(dǎo)體電路（CMOS電路）優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)功耗小(靜態(tài)時(shí)iD=0)第33頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電壓、電流傳輸特性T1通T2通第34頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、輸入噪聲容限第35頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：可以通過(guò)提高VDD來(lái)提高噪聲容限第36頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性74HC系列輸入保護(hù)電路第37頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性第38頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性結(jié)論：輸出的高、低電平都受負(fù)載電流及VDD的影響。第39頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3.4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間第40頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、交流噪聲容限因CL、CI的存在，輸入為小于tpd的窄脈沖時(shí)，幅度遠(yuǎn)大于直流時(shí)才能改變輸出。因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。三、動(dòng)態(tài)功耗第41頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、動(dòng)態(tài)功耗

第42頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3.5其他類型的CMOS門(mén)電路一、其他邏輯功能的門(mén)電路AB狀態(tài)Y000110111.與非門(mén)AB狀態(tài)Y000110112.或非門(mén)T1T3通，T2T4止1T1通，T2止1T3通，T4止1T1T3止，T2T4通0T1T3通，T2T4止1T3止，T4通0T1止，T2通0T1T3止，T2T4通0第43頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三與非門(mén)(或非門(mén))存在的缺點(diǎn)第44頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.帶緩沖級(jí)的CMOS門(mén)解決方法:加反相器（又稱緩沖器）第45頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、漏極開(kāi)路的門(mén)電路（OD門(mén)）

74HC03第46頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第47頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三RL的計(jì)算方法第48頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、CMOS傳輸門(mén)第49頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三利用CMOS傳輸門(mén)和反相器可以組合成各種復(fù)雜的邏輯電路

例1:異或門(mén)AB狀態(tài)Y00011011

ABTG1TG2YTG1通0TG1通1TG2通1TG2通0第50頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例2:雙向模擬開(kāi)關(guān)C=0截止；C=1導(dǎo)通第51頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、三態(tài)輸出門(mén)

三態(tài)：0、1、高阻01AA0110第52頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三態(tài)門(mén)的用途總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)?3頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列4000系列(3-18V、100ns、0.5mA)HC/HCT系列(High-SpeedCMOS/High-SpeedCMOS,TTLCompatible)(2-6V/5V、10ns、4mA)AHC/AHCT系列(2-6V/5V、5ns、8mA)LVC系列(Low-VoltageCMOS)(1.65-3.3V、3.8ns、24mA)ALVC系列(1.65-3.3V、2ns、24mA)器件名稱舉例:74HC0454HC04

74、54為T(mén)I公司產(chǎn)品標(biāo)志

HC為系列名稱

04為具體的邏輯功能—六反相器74環(huán)境溫度：-40～+85℃、54環(huán)境溫度：-55～+125℃第54頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu):管芯+三個(gè)引出電極+外殼3.5TTL門(mén)電路

3.5.1雙極型三極管的開(kāi)關(guān)特性

第55頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜集電極基極發(fā)射極集電結(jié)發(fā)射結(jié)第56頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.以NPN為例說(shuō)明工作原理：條件:VCC

>VBBbe結(jié)正偏,bc結(jié)反偏be結(jié)正偏，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成IE擴(kuò)散到b區(qū)的電子與空穴復(fù)合形成IBbc結(jié)反偏，漂移運(yùn)動(dòng)形成IC第57頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、三極管的輸入特性和輸出特性

1.三極管的輸入特性曲線（NPN）VON

：開(kāi)啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認(rèn)為:VBE<VONiB=0VBE=VONiB

的大小由外電路電壓、電阻決定

VBBRbT+VBE_iB第58頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三固定一個(gè)IB值，即得一條曲線，在VCE>0.7V(硅管)以后，基本為水平直線

2.三極管的輸出特性第59頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三特性曲線分三個(gè)部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC=βΔiB。飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”，深度飽和VCE（sat）＜0.2V。截止區(qū)：條件VBE<VON,iB=0,iC

≈0,c—e間“斷開(kāi)”。第60頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL第61頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工作狀態(tài)分析：第62頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖解分析法：第63頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、三極管的開(kāi)關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)第64頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五、三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性三極管在飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。由于PN結(jié)存在電容效應(yīng)。第65頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三六、三極管反相器三極管的基本開(kāi)關(guān)電路就是反相器(非門(mén))

實(shí)際應(yīng)用中，為保證 VI=VIL時(shí)T可靠截止，常在 輸入端接入負(fù)電源VEE。

參數(shù)合理VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T飽和導(dǎo)通，VO=VOL第66頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)

第67頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

第68頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電壓傳輸特性第69頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、電壓傳輸特性第70頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、輸入噪聲容限第71頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、輸入特性3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

VCCR14KT1D1be2be5第72頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性1.高電平輸出特性因功耗限制，74系列門(mén)電路規(guī)定：輸出高電平最大負(fù)載電流IOH≤0.4mA第73頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、輸出特性2.低電平輸出特性第74頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、輸入端負(fù)載特性

2.0vI/V1.001.02.03.04.0Rp/KΩVI=1.4VVCCR14KT1RPbe2be5vI第75頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間1、現(xiàn)象第76頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三因三極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間和分布電容的充放電過(guò)程，輸入為小于tpd的窄脈沖時(shí)，幅度遠(yuǎn)大于直流時(shí)才能改變輸出。交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。二、交流噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限第77頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流第78頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、動(dòng)態(tài)尖峰電流第79頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.5.5其他類型的TTL門(mén)電路一、其他邏輯功能的門(mén)電路1.與非門(mén)第80頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.或非門(mén)3.與或非門(mén)第81頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.異或門(mén)第82頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、集電極開(kāi)路的門(mén)電路(OC門(mén))1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用

OC門(mén)可克服上述不足第83頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、OC門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第84頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三OC門(mén)實(shí)現(xiàn)的線與第85頁(yè)，共92頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算第86頁(yè)，共92頁(yè)，2023年