第三章清华半导体基础知识《数字电子技术基本教程》教学课件
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半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
数字电子技术基础教学课件PPT
小结
日常生活中使用十进制，但在计算机中基本上使用二进制， 有时也使用八进制或十六进制。利用权展开式可将任意进制数
常用的几种 BCD 码
十进 制数 8421 BCD码 2421 BCD码 5121 BCD码 余 3码 余3 循环码
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001
0000 0001 0010 0011 0100 1011 1100 1101 1110 1111
注意：如无特别说明，本课程中的BCD码一概指组合的8421BCD码。
格雷码（Gray）
任意两个相邻码组之间只有一位码元不同（0和最大 数之间也只有一位不同），因此格雷码也称为循 环码；这种编码在形成和传输时不易出错。
比如：十进制3转换为4时，对应二进制的每一位变化，都会产
生很大的尖峰电流脉冲
上述编码方式是针对 “一位” 十进制数字而言的，一个多位的十进制数 与相应的8421BCD码之间的转换关系如下例所示： 3 0 9 1 十进制数：
对应的8421BCD码：
0011
0000
1001
0001
这样得到的BCD码在存放或处理时有两种格式： • 组合BCD码格式：每位十进制数字对应的BCD编码以四个二进制位来存放； （3091）10＝（0011 0000 1001 0001）BCD • 非组合BCD码格式：每位十进制数字对应的BCD编码以八个二进制位来存放， 其中低四位存放真正的BCD码，高四位根据具体应用的不同定义为不同的 值 —— 如无特殊要求，高四位通常为全0； （3091）10＝（00000011 00000000 00001001 00000001）BCD
半导体基本知识(PPT课件)
例开关电路如图所示.输入信号U1是幅值为5V频率为 1KHZ的脉冲电压信号.已知 β=125,三极管饱和时 UBE=0.7V,UCES=0.25V.试分析电路的工作状态和输出电压 的波形
三极管的三种接法
• 共射极电路： • 共基极电路: • 共集极电路（射极跟随器）
MOS场效应管
• 压控电流源器件 • 分类：
• 难点：
– １、载流子运动规律与器件外部特性的关系。 只须了解，不必深究
半导体基本知识
• 半导体：
– 定义:导电性能介于导体和绝缘之间的物质 – 材料:常见硅、锗 – 硅、锗晶体的每个原子均是靠共价键紧密
结合在一起。
本征半导体
• 本征半导体：纯净的半导体。0K时，价电子
不能挣脱共价键而参与导电，因此不导电。随 T上升晶体中少数的价电子获得能量。挣脱共 价键束缚，成为自由电子，原来共价键处留下 空位称为空穴。空穴与自由电子统称载流子。 • 自由电子：负电荷 • 空穴：正电荷 • 不导电– 增强源自、耗尽型 – PMOS管、NMOS管
• 特性曲线
– 转移特性曲线 – 输出特性曲线
MOS场效应管的主要参数
• 直流参数：
– 开启电压 UTN，UTP – 输入电阻 rgs
• 交流参数：
– 跨导gm – 导通电阻Rds – 极间电容
例NMOS管构成反相器如图示,其主要参数为UTN=2.0V， gM=1.3MA/V，rDS(ON)=875，电源电压UC=12V。输入脉 冲电压源辐值为5V,频率为1KHZ。试分析电路的工作状 态及输出电压UO的波形。
限幅电路如图示：假设输入UI为一周期性矩形 脉冲，低电压UIL=-5V，高电压UIH=5V。
• 当输入UI为-5V时，二极管D截止， • 视为“开路”，输出UO=0V。 • 当输入UI为+5V时，二极管D导通， • 由于其等效电阻RD相对于负载电 • 阻R的值小得多，故UI基本落在R上， • 即UO=UI=+5V。
数字电子技术 第三章_清华
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《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》补：半导体基础知识《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（1 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 常用：硅Si，锗Ge《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（2 半导体基础知识（2）杂质半导体 ? N型半导体多子：自由电子少子：空穴《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（2 半导体基础知识（2）杂质半导体 ? P型半导体多子：空穴少子：自由电子《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（3 半导体基础知识（3）PN结的形成 PN结的形成 ? 空间电荷区（耗尽层） ? 扩散和漂移《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（4 半导体基础知识（4）PN结的单向导电 PN结的单向导电性 ? 外加正向电压外加正向电压《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（4 半导体基础知识（4）PN结的单向导电 PN结的单向导电性 ? 外加反向电压外加反向电压《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》半导体基础知识（5 半导体基础知识（5）PN结的伏安特性 PN结的伏安特性正向导通区反向截止区i = I S (eVVT1)VT = nkTq反向击穿区K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》第三章门电路《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》3.1 概述 ? 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门······门、与非门、或门电路中以高/ 门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0 示逻辑状态的1/0《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》3.2半导体二极管门电路 3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode） Diode） ? 二极管的结构： PN结 + 引线 + 封装构成 PN结PN《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》3.2.1二极管的开关特性： 3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC 截止，V ? VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V 导通，V 《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》二极管的开关等效电路：《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》二极管的动态电流波形：《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》3.2.2 二极管与门设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V 加到的 VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VA 0V 0V 3V 3VB 0V 3V 0V 3VY 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V规定3V以上为1 0.7V以下为0A 0 0 1 1B 0 1 0 1Y 0 0 0 1《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》3.2.3 二极管或门二极管或设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V 加到的 VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VA 0V 0V 3V 3VB 0V 3V 0V 3VY 0V 2.3V 2.3V 2.3V规定2.3V以上为1 0V以下为0A 0 0 1 1B 0 1 0 1Y 0 1 1 1《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》二极管构成的门电路的缺点电平有偏移 ? 带负载能力差只用于IC内部电路只用于IC内部电路《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》3.3 CMOS门电路 CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性 3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构一、MOS管的结构金属层氧化物层半导体层PN结S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》以N沟道增强型为例：沟道增强型为例：《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》以N沟道增强型为例：沟道增强型为例：当加+V 当加+VDS时，开启电压VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 =0时，D 间是两个背向PN结串联，i 加上+V ，且足够大至V 加上+VGS，且足够大至VGS >VGS (th), D-S间形成导电沟道 D（N型层）《数字电子技术基础》第五版数字电子技术基础》二、输入特性和输出特性①输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容C 对动态有影响。
03 半导体基础——数电课课件PPT
Si
Si
空穴
BS–i
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
P型半导体特征
在硅晶体中渗入三价元素硼，硼原子与相邻的四个硅 原子形成共价键，由于缺少一个价电子而产生一个空位， 这个空位很容易被邻近共价键的价电子填补，硼原子得到 一个电子成为负离子,失去价电子的共价键出现一个空穴， 每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超 过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴 型或P型半导体
无杂质 稳定的结构
二、半导体硅和锗的原子结构模型
（a）硅原子 （b）锗原子 简化模型
外层有14个电子 外层有32个电子 外层有4个电子
硅和锗都是四价元素，原子的最外层轨道上有四个价电子
2、本征半导体 (纯净半导体)的结构
每个原子周围有四个相邻原子，原子之间通过共价 键紧密结合在一起，两个相邻原子共用一对电子。
自由电子— 多数载流子（多子）
空 穴— 少数载流子（少子）
磷（P）
在常温下即可 变为自由电子
Si
Si
多
余
电
pS+i
Si
子
失去一个 电子变为 正离子
磷原子
N型半导体特征
在硅晶体中掺入五价无素磷，磷原子的五个价电子有四个 共价键里，多出一个电子不受共价键的束缚，室温下很容易成 为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子。每个磷原子都 提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。 这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或N型半导体。
空 穴— 多子 自由电子— 少子
多子数量：掺杂浓度
少子数量：热激发产生， 取决于温度
简化P型半导体
PPNN结结的的形形成及成特及性特性
《数字电子技术基础》(第五版)教学课件
与（AND）
或（OR）
非（NOT）
以A=1表示开关A合上，A=0表示开关A断开； 以Y=1表示灯亮，Y=0表示灯不亮； 三种电路的因果关系不同：
《数字电子技术基础》（第五版） 教学课件
与
❖ 条件同时具备，结果发生 ❖ Y=A AND B = A&B=A·B=AB
AB Y 0 00 0 10 1 00 1 11
《数字电子技术基础》（第五版） 教学课件
或
❖ 条件之一具备，结果发生 ❖ Y= A OR B = A+B
AB 00 01 10 11
Y 0 1 1 1
《数字电子技术基础》（第五版） 教学课件
非
❖ 条件不具备，结果发生
❖ YANOT A
A
Y
0
1
1
0
《数字电子技术基础》（第五版） 教学课件
几种常用的复合逻辑运算
公式（17）的证明（真值表法）：
ABC BC 000 0 001 0 010 0 011 1 100 0 101 0 110 0 111 1
A+BC 0 0 0 1 1 1 1 1
A+B A+C （A+B）(A+C)
0
0
0
0
1
0
1
00
1
1
1
1
1
1
1
11
1
1
1
1
1
1
《数字电子技术基础》（第五版） 教学课件
ACBCADBCD
《数字电子技术基础》（第五版） 教学课件
2.5 逻辑函数及其表示方法
❖ 2.5.1 逻辑函数 ❖ Y=F(A,B,C,······)
数字电子技术基础简明教程课件——半导体器件
17
§2 半导体二极管
一、二极管的结构及符号
1、 点接触型 结面积小、结电容小、 结面积小、结电容小、 正向电流小。 正向电流小。用于检波 和变频等高频电路。 和变频等高频电路。 2、面接触型 结面积大、 结面积大、正向电流 结电容大， 大、结电容大，用于工 频大电流整流电路。 频大电流整流电路。
15
⑵、PN 结加反向电压（反向偏置） 接负、N接正 结加反向电压（反向偏置） 接负、 P
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
内电场被加 强，少子的漂 移加强， 移加强，由于 少子数量很少， 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。 向电流。
–
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 结加反向电压时，PN结变宽 反向电流较小， 结变宽， 反向电阻较大，PN结处于截止状态 结处于截止状态。 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
16
一、填空题 )和 )两种载流子 两种载流子。 1、半导体中有( 空穴 )和(自由电子 )两种载流子。 半导体中有( 型半导体是在本征半导体中掺入极微量的( 2、N型半导体是在本征半导体中掺入极微量的( 五 ) 型半导体是在本征半导体中掺入极微量的 价元素组成的。 价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为 )，少数载流子为( )。 (自由电子)，少数载流子为( 空穴 )。 结加正向电压时， 3、PN结加正向电压时，外电场的方向与内电场的方 结加正向电压时 )，加负向电压时， 向(相反)，加负向电压时，外电场的方向与内电场的 方向( )。 方向( 相同 )。 二、单项选择题 纯净的半导体称为( )。 1、纯净的半导体称为( C )。 A、N型半导体 型半导体 B、P型半导体 型半导体 C、本征半导体 结加正向电压时， )。 2、PN结加正向电压时，空间电荷区将( A )。 结加正向电压时 空间电荷区将( A、变窄 B、基本不变 C、变宽
§2 半导体二极管
一、二极管的结构及符号
1、 点接触型 结面积小、结电容小、 结面积小、结电容小、 正向电流小。 正向电流小。用于检波 和变频等高频电路。 和变频等高频电路。 2、面接触型 结面积大、 结面积大、正向电流 结电容大， 大、结电容大，用于工 频大电流整流电路。 频大电流整流电路。
15
⑵、PN 结加反向电压（反向偏置） 接负、N接正 结加反向电压（反向偏置） 接负、 P
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
内电场被加 强，少子的漂 移加强， 移加强，由于 少子数量很少， 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。 向电流。
–
+
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 结加反向电压时，PN结变宽 反向电流较小， 结变宽， 反向电阻较大，PN结处于截止状态 结处于截止状态。 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
16
一、填空题 )和 )两种载流子 两种载流子。 1、半导体中有( 空穴 )和(自由电子 )两种载流子。 半导体中有( 型半导体是在本征半导体中掺入极微量的( 2、N型半导体是在本征半导体中掺入极微量的( 五 ) 型半导体是在本征半导体中掺入极微量的 价元素组成的。 价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为 )，少数载流子为( )。 (自由电子)，少数载流子为( 空穴 )。 结加正向电压时， 3、PN结加正向电压时，外电场的方向与内电场的方 结加正向电压时 )，加负向电压时， 向(相反)，加负向电压时，外电场的方向与内电场的 方向( )。 方向( 相同 )。 二、单项选择题 纯净的半导体称为( )。 1、纯净的半导体称为( C )。 A、N型半导体 型半导体 B、P型半导体 型半导体 C、本征半导体 结加正向电压时， )。 2、PN结加正向电压时，空间电荷区将( A )。 结加正向电压时 空间电荷区将( A、变窄 B、基本不变 C、变宽
清华模电数电课件第3讲半导体二极管
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
小信号作用
Q越高，rd越小。 静态电流
四、二极管的主要参数
• 最大整流电流IF：最大平均值 • 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 • 反向电流 IR：即IS • 最高工作频率fM：因PN结有电容效应
结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。
二.光电二极管
• 光电二极管是远红外线接
受管,是一种光能与电能
进行转换的器件.它的几
种常见外形如图1.2.13(a)
所示,符号见图(b)
图1.2.13 光电二极管的外形和符号
• 图1.2.14(a)所示为光电二 极管的伏安特性.在无光 照时,与普通二极管一样, 具有单向导电性.有光照 时,特性曲线下移,它们分 布在第三,四象限内.
一、二极管的组成
将PN结封，引出两个电极，就构成了二极管。
点接触型： 结面积小，结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高
面接触型： 结面积大，结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低
平面型： 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大
二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性
六、其它类型二极管
• 一.发光二极管
发光二极管包括可见光, 不可见光,激光等不同的类 型,这里只对可见光发光二 极管做一简单介绍
发光二极管的发光颜色 决定于所用材料,目前有红, 绿,黄,橙等色,可以制成各 种形状,如长方型,圆形[见 图 (a)所示]等.图 (b)所示 为发光二极管的符号.
图1.2.12 发光二极管
i f (u)
u
i IS(eUT 1) (常温下UT 26mV)
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第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
RP的计算方法 • 将n个OD门接成“线与”结构，并考虑存在负载电流IL
的情况下，电路如图所示
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
漏极开路输出的CMOS门电路的用途：接成总线结构
4. 异或门
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
(3) 电压、电流传输特性
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
2. CMOS传输门 开关状态由加在P和N的控制信号决定。 当P=0V，N=VDD时，两个MOS管均导通，A-B接通。 当P=VDD，N=0V时，两个MOS管均截止，A-B断开。
三态门的用途：总线连接
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
2. 漏极开路输出的门电路
(1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 需要在输出端与电源之间外接上拉电阻RP
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
(1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 使用时在输出端与电源之间外接上拉电阻RP
•0.3V以下为0
1
1
BY 00 11 01 11
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
二极管构成的门电路的缺点 • 电平有偏移 • 带负载能力差
• 只用于IC内部电路
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•3.3.2 双极型三极管的开关特性 1. 双极型三极管的结构示意图和符号
第三章清华半导体基础 知识《数字电子技术基
本教程》教学课件
2020/12/7
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
补：半导体基础知识
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
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
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
3.2.5 CMOS电路的电气特性和参数 1. 直流电气特性和参数
也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电压、电流 特性，通常用一系列电气参数来描述。
•(1) 输入高电平VIH和输入低电平VIL • VDD为+5V时，74HC系列集成电路的VIH(max)约为3.5V， • VIL(max)约为1.5V。
④
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
工作状态分析
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
工作状态分析
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
电压传输特性
•阈值电压VTH约为1.4V
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•(4) 高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL • IIH(max)和 IIL(max)通常在1μA 以下。
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•(5) 高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL •
•74HC系列电路中，当VDD＝5V时，RON(N)不大于50Ω， •而RON(N)在100Ω 以内； •高电平输出电流IOH为-4mA； •低电平输出电流IOL为4mA。
•S (Source)：源极 •G (Gate)：栅极 •D (Drain)：漏极 •B (Substrate):衬底
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•P沟道增强型MOS管的开关状态
•(1) VIH=VDD时， VGS=0，S-D间不导通，MOS管截止 •(2) VIL=0时，VGS=－VDD，且VDD>|VT|，S-D间形成p型导电 沟道，MOS管导通
•(1) VIL=0时，D-S间不导通，MOS管截止，ROFF>106Ω，开关断开
•(2) 加上足够高的+VIH，且>VT, D-S间形成n型导电沟道，MOS
• 管导通， ROFF<1KΩ，开关接通
•
D-S间相当于是一个受VI控制的开关
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•2. P沟道增强型MOS管的结构和符号
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
二极管或门
•设VCC = 5V
•加到A,B的 VIH=4V
•
VIL=0.3V
•二极管导通时 VDF=0.7V
AB
Y
0.3V 0.3V 0V
0.3V 4.0V 3.3V
4.0V 0.3V 3.3V
4.0V 4.0V 3.3V
A
•规定3.3V以上为1 0 0
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
半导体基础知识（5）
• PN结的伏安特性
•反向截止区
•正向导通 区
•反向击穿区
•K:波耳兹曼常数 •T:热力学温度 •q: 电子电荷
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
第三章 逻辑门
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应 1. 静电防护
为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输入端都设 置了输入保护电路。
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
2. 锁定效应 当CMOS电路的输入端或输出端出现瞬时高压时，有可 能使电路进入这样一种状态，即电源至电路公共端之间 有很大的电流流过，输入端也失去了控制作用。 通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下不会发生， 但还不能绝对避免。
2. 输入特性
以反相器SN7404为例
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•结论：TTL输入端悬空和接逻辑1电平效果相同 •注意：CMOS电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•3. 输出特性
• 1. 反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的 变
• 化而改变，且变化不大。 • 2. 需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。
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3.4.2 TTL与数字电 子技术基本教程》教学课件
2. 或非门
•3.与或非门
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
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半导体基础知识（2）
• 杂质半导体 • N型半导体 多子：自由电子 少子：空穴
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半导体基础知识（2）
• 杂质半导体 • P型半导体 多子：空穴 少子：自由电子
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(1) 电路结构
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(2) 开关等效电路 设定：VDD=+5V，VIH=5V，VIL=0V，且VDD>|VTN|+|VTP|
• 当VIL=0时，T1的VGS=0，T1截止；T2的VGS= -VDD，T2导通； 故VOH=VDD 。
• 当VIH=VDD时，T2的VGS=0，T2截止；T1的VGS=VDD，T1导通； 故VOL=0 。
二极管与门
•设VCC = 5V
•加到A,B的 VIH=4V
•
VIL=0.3V
•二极管导通时 VDF=0.7V
AB Y 0.3V 0.3V 1.0V 0.3V 4.0V 1.0V 4.0V 0.3V 1.0V 4.0V 4.0V 4.7V
•规定4V以上为1 •1V以下为0
A BY 0 00 0 10 1 00 1 11
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
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半导体基础知识（4）
• PN结的单向导电性 • 外加正向电压
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半导体基础知识（4）
• PN结的单向导电性 • 外加反向电压
3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性
3.3.1 双极型二极管的开关特性和二极管门电路 1. 二极管的结构和伏安特性：
PN结 + 引线 + 封装构成
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2. 二极管的开关等效电路：
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3.2.2 CMOS与非门、或非门和异或门 •1. 与非门
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•2. 或非门
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•3. 异或门
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•6. 输入、输出端有反相器的或非门和与非门 通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参 数的反相器。
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•3.2.3 三态输出和漏极开路输出的CMOS门电路 1. 三态输出的门电路
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RP的计算方法 • 将n个OD门接成“线与”结构，并考虑存在负载电流IL
的情况下，电路如图所示
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漏极开路输出的CMOS门电路的用途：接成总线结构
4. 异或门
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(3) 电压、电流传输特性
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2. CMOS传输门 开关状态由加在P和N的控制信号决定。 当P=0V，N=VDD时，两个MOS管均导通，A-B接通。 当P=VDD，N=0V时，两个MOS管均截止，A-B断开。
三态门的用途：总线连接
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2. 漏极开路输出的门电路
(1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 需要在输出端与电源之间外接上拉电阻RP
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(1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 使用时在输出端与电源之间外接上拉电阻RP
•0.3V以下为0
1
1
BY 00 11 01 11
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
二极管构成的门电路的缺点 • 电平有偏移 • 带负载能力差
• 只用于IC内部电路
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
•3.3.2 双极型三极管的开关特性 1. 双极型三极管的结构示意图和符号
第三章清华半导体基础 知识《数字电子技术基
本教程》教学课件
2020/12/7
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
补：半导体基础知识
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
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
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3.2.5 CMOS电路的电气特性和参数 1. 直流电气特性和参数
也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电压、电流 特性，通常用一系列电气参数来描述。
•(1) 输入高电平VIH和输入低电平VIL • VDD为+5V时，74HC系列集成电路的VIH(max)约为3.5V， • VIL(max)约为1.5V。
④
第三章清华半导体基础知识《数字电 子技术基本教程》教学课件
工作状态分析
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工作状态分析
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电压传输特性
•阈值电压VTH约为1.4V
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•(4) 高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL • IIH(max)和 IIL(max)通常在1μA 以下。
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•(5) 高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL •
•74HC系列电路中，当VDD＝5V时，RON(N)不大于50Ω， •而RON(N)在100Ω 以内； •高电平输出电流IOH为-4mA； •低电平输出电流IOL为4mA。
•S (Source)：源极 •G (Gate)：栅极 •D (Drain)：漏极 •B (Substrate):衬底
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•P沟道增强型MOS管的开关状态
•(1) VIH=VDD时， VGS=0，S-D间不导通，MOS管截止 •(2) VIL=0时，VGS=－VDD，且VDD>|VT|，S-D间形成p型导电 沟道，MOS管导通
•(1) VIL=0时，D-S间不导通，MOS管截止，ROFF>106Ω，开关断开
•(2) 加上足够高的+VIH，且>VT, D-S间形成n型导电沟道，MOS
• 管导通， ROFF<1KΩ，开关接通
•
D-S间相当于是一个受VI控制的开关
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•2. P沟道增强型MOS管的结构和符号
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二极管或门
•设VCC = 5V
•加到A,B的 VIH=4V
•
VIL=0.3V
•二极管导通时 VDF=0.7V
AB
Y
0.3V 0.3V 0V
0.3V 4.0V 3.3V
4.0V 0.3V 3.3V
4.0V 4.0V 3.3V
A
•规定3.3V以上为1 0 0
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• PN结的伏安特性
•反向截止区
•正向导通 区
•反向击穿区
•K:波耳兹曼常数 •T:热力学温度 •q: 电子电荷
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第三章 逻辑门
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3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应 1. 静电防护
为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输入端都设 置了输入保护电路。
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2. 锁定效应 当CMOS电路的输入端或输出端出现瞬时高压时，有可 能使电路进入这样一种状态，即电源至电路公共端之间 有很大的电流流过，输入端也失去了控制作用。 通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下不会发生， 但还不能绝对避免。
2. 输入特性
以反相器SN7404为例
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•结论：TTL输入端悬空和接逻辑1电平效果相同 •注意：CMOS电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零
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•3. 输出特性
• 1. 反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的 变
• 化而改变，且变化不大。 • 2. 需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。
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2. 或非门
•3.与或非门
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半导体基础知识（2）
• 杂质半导体 • N型半导体 多子：自由电子 少子：空穴
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半导体基础知识（2）
• 杂质半导体 • P型半导体 多子：空穴 少子：自由电子
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(1) 电路结构
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(2) 开关等效电路 设定：VDD=+5V，VIH=5V，VIL=0V，且VDD>|VTN|+|VTP|
• 当VIL=0时，T1的VGS=0，T1截止；T2的VGS= -VDD，T2导通； 故VOH=VDD 。
• 当VIH=VDD时，T2的VGS=0，T2截止；T1的VGS=VDD，T1导通； 故VOL=0 。
二极管与门
•设VCC = 5V
•加到A,B的 VIH=4V
•
VIL=0.3V
•二极管导通时 VDF=0.7V
AB Y 0.3V 0.3V 1.0V 0.3V 4.0V 1.0V 4.0V 0.3V 1.0V 4.0V 4.0V 4.7V
•规定4V以上为1 •1V以下为0
A BY 0 00 0 10 1 00 1 11
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
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半导体基础知识（4）
• PN结的单向导电性 • 外加正向电压
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• PN结的单向导电性 • 外加反向电压
3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性
3.3.1 双极型二极管的开关特性和二极管门电路 1. 二极管的结构和伏安特性：
PN结 + 引线 + 封装构成
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2. 二极管的开关等效电路：
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3.2.2 CMOS与非门、或非门和异或门 •1. 与非门
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•2. 或非门
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•3. 异或门
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•6. 输入、输出端有反相器的或非门和与非门 通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参 数的反相器。
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•3.2.3 三态输出和漏极开路输出的CMOS门电路 1. 三态输出的门电路
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