2.1 二极管的开关特性
数电讲义--2章
1.0
VOL（max）0.5
输入标 准低电
平
0.4V
VNL
D VNH
E
V V 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
SL VOFF VON
SH
Vi (V)
输入标准
高电平
2. 输入特性
+VCC
1) 输入伏安特性
iI
R1 3kΩ
1
-1.6 mA
<50 uA vI A
31
B
T1
1.4 V
和边沿，T4放大。 VO随iOH变化不大。 当由i于Oi以OHH受↑：线时功性,R耗变4上的化压限。降制增，大i0，H过T大3 、会T4烧饱毁和T，4管V，O随所
功耗 1mW IOH 400 A
输出高电平时的扇出系数 3.6V
R2 750Ω 2T3 Vc2 1 3 R4
VO
+VCC
R 4 +5V 100Ω
抗干扰能力越强。 高电平噪声容限
VNH= VSH ¯ VON 。
VNH越大，输入为1态下
抗干扰能力越强。
Vo (V)
4.0 A B
3.5
3.0
VOH（min）2.5 2.4V
C
2.0
1.5
A(0V, 3. 6V) B(0.6V, 3.6V) C(1.3V, 2.48V) D(1.4V, 0.3V) E(3.6V, 0.3V)
• 导通(VD>VTH) • 2、二极管的开关时间
截止5V(VDR<VT+H)
0V
D VD
uo
_
VF Vi
二极管开关状态的转换需要时间：
t1 t2
常用开关二极管型号及主要参数
常用开关二极管型号及主要参数开关二极管是一种具有特殊结构的二极管，其主要作用是实现电路开关控制功能。
在数字电子、通信、电源管理等领域都广泛应用。
以下将对常用的几种开关二极管型号及其主要参数进行介绍。
1.1N4148开关二极管-最大反向电压：100V-最大正向电流：200mA-最大功耗：500mW- 开关时间：4ns1N4148是一种常见的开关二极管，具有快速开关、低反向电流、高正向导通能力等特点。
广泛应用于数字逻辑门、开关电路以及高频信号放大电路中。
2.1N4007开关二极管-最大反向电压：1000V-最大正向电流：1A-最大功耗：3W-开关时间：<50μs1N4007是一种经典的开关二极管，主要用于低频交流电源整流和保护电路，具有高耐压、大电流特点，适用于一般电源电路。
3.1N5822开关二极管-最大反向电压：40V-最大正向电流：3A-最大功耗：2.5W- 开关时间：20ns1N5822是一种快恢复型开关二极管，具有快速恢复时间和低导通损耗的特点。
常用于开关电源和充电电路中，以提高电路的稳定性和效率。
4.2N3904开关二极管-最大反向电压：40V-最大正向电流：200mA-最大功耗：625mW- 开关时间：20ns2N3904是一种常见的NPN型开关二极管，适用于低功耗开关电路和放大电路。
具有高动态特性、低饱和电压和低输入电容等特点。
5.PN2222开关二极管-最大反向电压：40V-最大正向电流：600mA-最大功耗：500mW- 开关时间：25nsPN2222是一种广泛应用的PNP型开关二极管，常用于电源管理、接口驱动、瞬态抑制等电路。
具有较高的集电极电流和较低的饱和电压。
以上是几种常见的开关二极管型号及其主要参数。
在实际应用中，选择合适的开关二极管要综合考虑最大反向电压、最大正向电流、功耗和开关时间等参数，并根据具体应用需求进行合适选择。
第二章门电路
7
§2.2 半导体三极管的开关特性 一. 双极型三极管的结构 IC
IB
VBC – + + + VCE VBE – – IE
NPN Si管
8
二. 特性
1.电流：IE =IB +IC 2.工作状态： 工作状态分类 导通 截止
IC1
T2 • IE2 • Y ° T5
R3
•
IR3
IB5
N—表示N个发射极。
41
●T1的状态：
∵VB1=VBC1+VBE2+VBE5=2.1V ∴T1处于倒置状态。 I C1 I B1 N反 I B1
I B1 VCC VB1 R1
0.73mA
● T2、 T5的状态：
T2、 T5饱和VO=0.3V
45
二.TTL与非门 • R1 4K • Vcc =5V
°
R2 1.6K
•
R4 130
T4
A
B
T1
T2
• R3 1K • 倒相级
D3
• T5 Y °
输入级
输出级
46
三.负载能力分析 负载——指门电路输出端所接的其它 电路。 NO——扇出系数，表示能够驱动同类门的数目。 灌电流负载——负载电流从后级门注入前级门 负载
14
5）饱和条件及特点 条件：IB >IBS IB — 进入饱和以后的基流。 IBS—临界饱和基流。 求IB 、 IBS的步骤： Vi VBE a）I B Rb
b）I CS c）I BS VCC VCES VCC RC RC I CS
二极管、三极管的开关特性
C断，F灭
断“0”
合“1” 亮“1”
灭“0”
A 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
C 0 1 0 1 0 1 0 1
F 0 0 0 1 0 1 0 1
逻辑函数式
F =（A+B）C
二极管构成的与门
A 0 0 1 1 二极管构成的或门 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 1 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 0 0 1
VO
c
RB b Vi N N P
0 VCC RC Vi RB
IC ≠β IB 这时候三极管进入饱和状态。 此时输出电压VO接近于 0。
IB
e
相当于C-E间直通。 实际的三极管在饱和状态下CE间是有一定电压的， 一般为 0.2V，这个电压称为三极管的饱和电压。
（1）截止
c b
（2）饱和
c b 0.7V
F
或逻辑运算符，也有 N个输入： 用“∨”、“∪”表 逻辑表达式 示 F= A + B+ ...+
F= A + B
N
非逻辑
当决定某一事件的条件满足时，事件不发 生；反之事件发生，
非逻辑真值表 A F 0 1 1 0
逻辑表达式
“-”非逻辑运算符
F= A
逻辑符号 1 A
F
三、复合逻辑运算 与非逻辑运算 或非逻辑运算 与或非逻辑运算
A
B
=1
F
二极管与门电路 工作原理
A、B中有一个 或一个以上为 低电平0V 则输出F就为低
3V 0V 3V 3V A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V
0V 3V
第4章 (第四讲) 逻辑门电路(1)机械
2.2.4 TTL与非门电路 TTL与非门电路 （1） 电路
（2） 工作原理
(a)ABC全为高电平： (a)ABC全为高电平： T1的多个发射极并联作集电极用，即T1倒置运用。 νB1＝2.1V，T2、T3饱和，νC2＝0.9V，T4截止，L 为低电平。即当A＝B＝C＝1时，L＝0。 (b) ABC至少有一个低电平： ABC至少有一个低电平： T1至少有一个发射极正向导通，νB1＝0.9V，T1因 ｉC1＝ICBO2而处于深饱和运用状态，T2、T3截止， T4导通(放大状态)，L为高电平。即当ABC至少有 一个0时，L＝1。
说明： (1)截止区（AB段）：νI很小时，T1处于深饱和运用状态，VCES1 (1)截止区（AB段）： ＝0.1V。T2、T5截止，T4导通(放大状态)，Vo＝5－1.4＝3.6（V）。 (2)线性区（BC段）：当νI增加到νB2＝0.6V时，T2开始导通。但T2 (2)线性区（BC段）： 的导通必须要求ｉC1反向，即ｉC1必须经过0点，也即VCE1＝0V这 一点。这也就是说T2开始导通时，νI＝0.6V。此时，T5仍然截止， T4继续保持放大状态。电路表现出线性特征。νI继续增加，到 νB1>1.3V时，T1进入发射结和集电结都处于正偏置而同时导通的 特殊运用状态。随着νI的增加，｜ｉC1｜ 将增大，ｉe1将减小。 (3)转折区（CD段）：当νI增加到νB2＝1.3V（即νI＝1.3V）时，T5 (3)转折区（CD段）： 开始导通，同时ｉe1继续减小。T1进入临界倒置运用状态。随着νI 的增加，ｉe1急剧减小，ｉb2急剧增大，Vo急剧下降，电路在此区 间有很大的放大倍数。 (4)饱和区（DE段）：当νI增加到大于1.4V后，T1进入倒置运用状 (4)饱和区（DE段）： 态，νB1＝2.1V，T2、T5饱和，νC2＝0.9V，T4截止。Vo＝VCES3＝ 0.2V。
二极管的电容效应、等效电路及开关特性
二极管的电容效应、等效电路及开关特性二极管的电容效应二极管具有电容效应。
它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。
1.势垒电容CB(Cr)前面已经讲过，PN结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高，相当于金属导体。
从这一结构来看，PN结等效于一个电容器。
事实上，当PN结两端加正向电压时，PN结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"，当PN结两端加反向电压时，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。
这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。
势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。
当外加反向电压增大时，势垒电容减小;反向电压减小时，势垒电容增大。
目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。
2.扩散电容CDPN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近PN结一侧浓度高，远离PN结的一侧浓度低。
显然，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷;同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数的正电荷。
当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。
相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N 区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。
因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。
总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Cj相当于两者的并联，即Cj=CB + CD。
二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容Cj≈CD ;而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，Cj≈CB 。
二极管的等效电路二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。
为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。
半导体二极管的开关特性_数字逻辑电路基础_[共2页]
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40 数字逻辑电路基础1．静态特性静态特性是指处于闭合状态或关断状态时，开关所具有的特性。
（1）理想开关处于断开状态时，开关的等效电阻R OFF =∞。
因此，无论U AK 在多大范围内变化，理想开关S 上通过的电流I OFF =0。
（2）理想开关处于闭合状态时，开关的等效电阻R ON =0。
因此，无论流过开关的电流在多大范围内变化，理想开关S 两端的电压U AK =0。
2．动态特性动态特性是指理想开关由断开状态转换到闭合状态，或由闭合状态转换为断开状态时，理想开关所呈现的特性。
（1）理想开关S 的开通时间t ON =0。
说明由断开状态转换到闭合状态时，理想开关不需要时间，可以瞬间完成。
（2）理想开关S 的关断时间t OFF =0。
说明由闭合状态转换到到断开状态时，理想开关也不需要时间，可以瞬间完成。
显然，上述理想开关S 在客观世界中是不存在的。
日常生活中的机械开关，如按压式的家庭用开关，推拉式的刀闸开关，控制电路通、断的继电器触点、接触器触点等，在一定电压和电流的范围内，静态特性与理想开关十分接近，但动态特性较差，完全满足不了数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
而由二极管、三极管构成的电子开关，其静态特性比机械开关的特性稍差，但它们的动态特性却是机械开关无法比拟的，基本上可以满足数字电路对开关的要求。
因此，作为电子开关的二极管、三极管和MOS 管广泛应用于数字电路中。
2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的核心部分是一个PN 结，因此具有“单向导电”性。
当二极管处于正向偏置时，开关二极管导通。
导通二极管的电阻很小，为几十至几百欧，相当于一个闭合的电子开关；二极管处于反向偏置时呈截止状态。
截止时，二极管的电阻很大，一般硅二极管在10M Ω以上，锗二极管也有几十千欧至几百千欧，相当于一个断开的电子开关。
半导体二极管的开关特性在数字电路中起控制电流接通或关断的作用。
1．静态特性二极管的静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。
二极管的电容效应、等效电路及开关特性
二极管的电容效应、等效电路及开关特性二极管的电容效应二极管具有电容效应。
它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。
1.势垒电容CB(Cr)前面已经讲过，PN结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质;而PN结两侧的P区、N区的电导率高，相当于金属导体。
从这一结构来看，PN结等效于一个电容器。
事实上，当PN结两端加正向电压时，PN结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"，当PN结两端加反向电压时，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。
这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。
势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。
当外加反向电压增大时，势垒电容减小;反向电压减小时，势垒电容增大。
目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN 结电容随外加电压变化的特性制成的。
2.扩散电容CDPN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近PN结一侧浓度高，远离PN结的一侧浓度低。
显然，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷;同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数的正电荷。
当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。
相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N 区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。
因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。
总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容Cj相当于两者的并联，即Cj=CB + CD。
二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容Cj≈CD ;而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，Cj≈CB 。
二极管的等效电路二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。
为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。
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内电场E
PN结又叫做耗尽区（Depletion Region）、阻挡层、势垒区（Barrir Region）.
给二极管加正向电压（图7） P
电子技术基础之数字电路
N
-------+ +++++ +
-------------++++++ +
------ -+ + + + + + + -------------+ + + + + + +
反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百kΩ） 相当于开关断开
电子技术基础之数字电路
二极管的伏安特性曲线
二极管的开关特性
vi
VF
D
O
+ vi
+ VD –
RL
–VR i
–
IF
O
–IR
电子技术基础之数字电路
t1
t
t
二极管的理想开关特性
电子技术基础之数字电路
vi
VF
D
O
+ vi
+ VD –
电子技术基础之数字电路
加反向电压时的反向恢复时间（图10）
P
N
E VD
VR I R RL
反向恢复时间由存储时间和渡越时间组成，存储时间 对应于存储电荷消散的时间，渡越时间对应于阻挡层 变宽的时间。
-------+ + + + + + + -------------+ + + + + + +
已形成的PN结（图6）
电子技术基础之数字电路
-------+ + + + + + +
-------
P
------- + + + + + + +
N
-------+ + + + + + +
-------
-------+ + + + + + +
电子技术基础之数字电路
2.1.2 二极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路
正向导通时，UD(ON)≈0.7（硅） 、 0.3V（锗）
RD≈几Ω ～几十Ω 相当于开关闭合
二极管的伏安特性曲线
电子技术基础之数字电路
开启电压
二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时
2.1.1半导体二极管的工作原理
电子技术基础之数字电路
半导体二极管（Diode）结构示意图（图1）
正极
PN
负极 正极
D
负极
引线 外壳
PN结
（a）内部结构示意图
引线
（b）电路符号
图1-0-1 晶体二极管内部结构示意图及相应的电路符号
电子技术基础之数字电路
图2 本征半导体内部结构图
电子技术基础之数字电路
第2章 逻辑门电路
2.1 二极管的开关特性 2.2 三极管的开关特性 2.3 基本逻辑门电路 2.4 TTL逻辑门电路 2.6 CMOS逻辑门电路
电子技术基础之数字电路
电子技术基础之数字电路
2.1 二极管及其开关特性
2.1.1 二极管的工作原理 2.1.2 二极管的开关特性
要求：理解二极管的基本工作原理和主要开关参数
内电场E i
外加电压的正极接N区，负极接P区，此时阻挡层变宽，反向电流极小。 管子处于截止状态。
电子技术基础之数字电路
二极管加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，
呈现低电阻。D来自+ vi+ VD –
RL
–
加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻。
D
+ +–
vi
RL
–
这就是二极管（PN结）的单向导电性。也就是二极 管的开关特性。
内电场E i
外加电压的正极接P区，负极接N区，此时阻挡层变窄，正 向电流较大。管子处于导通状态。
给二极管加反向电压（图8）
电子技术基础之数字电路
P
N
-------+ + + + + + +
-------------+ + + + + + +
-------+ + + + + + + -------------+ + + + + + +
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
----------
图4 P型半导体电结构示意图
在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流 子。同时还存在大量不能自由移动的负离子。
PN结的形成
扩散尚未进行时（图5）
P
N
-------+ + + + + + +
------------- + + + + + + +
图2‘ 本征半导体内部结构图
N型半导体
电子技术基础之数字电路
++++++++++ ++++++++++ ++++++++++ ++++++++++
图3 N型半导体电结构示意图 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数 载流子。同时还存在大量不能自由移动的正离子。
P型半导体
电子技术基础之数字电路
RL
–VR
i
–
IF
O
–IR
ts称为存储时间 tt称为渡越时间 tre=ts+tt称为反向恢复时间
t1
t
tS tt
t
0.1IR
二极管的实际开关特性
电子技术基础之数字电路
加正向电压时的电荷存储效应（图9）
P
N
E
I F VF
RL
当外加正向电压时，PN结很窄，且在N区具有空穴的浓 度梯度，在P区具有自由电子的浓度梯度，正向电流越 大，浓度梯度也越大。即在P区和N区中有大量的载流 子存储。