《数字逻辑》第3章门电路

《《数字逻辑》第3章门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《数字逻辑》第3章门电路（130页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、数字逻辑,北航计算机学院 艾明晶 牛建伟 ,2,第3章 门电路,本章补充常用半导体器件基础知识；介绍晶体二极管、三极管的稳态开关特性；分立元件门；TTL与非门，OC门，三态门；MOS管，MOS门等内容。介绍门电路的电路结构、工作原理及逻辑功能，以及基于Verilog HDL的门电路设计。,3.1 概述 3.2 常用半导体器件（补充） 3.3 晶体二极管和三极管的开关特性 3.4 分立元件门 3.5 数字集成电路的主要性能参数（补充） 3.6 TTL集成门 3.7 MOS集成门 3.8 基于Verilog HDL的门电路设计,共7学时,3,本 章 重 点,晶体管的稳态开关特性； 门电路的逻辑功

2、能； 数字集成电路的主要性能参数及其含义； 基于Verilog HDL设计门电路的方法。,4,3.1 概述,“门电路”是能实现某种逻辑关系的电路，它是数字电路的基本逻辑单元电路。基本的逻辑门有与门、或门、非门，复合逻辑门有与非门、或非门、与或非门、异或门等。 逻辑门主要分为两类 分立元件门：由电阻、二极管、三极管等分立元件构成； 集成门：把构成门电路的基本元件制作在一小片半导体芯片上。 集成反相器、缓冲器，集成与门、与非门，集成或门、或非门，集成异或门，集成三态门,5,集成电路与数字集成电路,集成电路（Integrated Circuit，IC）：把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的

3、功能要求，制作在一块半导体基片上，这样的电路称为集成电路。 集成电路相比分立元件电路的优点 体积小、耗电省、重量轻、可靠性高,数字电路：对数字信号进行算术运算和逻辑运算的电路 数字集成电路：在一块半导体基片上，把众多的数字电路基本单元制作在一起形成的数字电路。,6,数字集成电路的分类,早期的划分方法单位芯片面积上集成门电路的个数 （1）小规模ICSSI（Small Scale Integration）， 含1 10门 （2）中规模ICMSI（Medium Scale Integration）， 含10 100门 （3）大规模ICLSI（Large Scale Integration）， 含10

4、0 1000门 （4）超大规模ICVLSI（Very Large Scale Integration）， 含1000门以上,1、按集成度分类,这种划分方法现在已过时！,7,2、按制造工艺分类,（1）双极型IC：晶体三极管中两种载流子（空穴和自由电子）参与导电 基本开关元件：晶体三极管 常见双极型IC：TTL（Transister- Transister Logic，晶体管-晶体管逻辑） 、ECL（Emitter Coupled Logic，发射极耦合逻辑）、 HTL（High Threshold Logic，高阈值逻辑）、I2L （Integrated Injection Logic，集成注入

5、逻辑）集成电路 特点：速度快，但集成度较单极型IC低 （2）单极型IC: MOS晶体管中只有一种载流子（空穴或自由电子）参与导电 基本开关元件：MOS晶体管 常见单极型IC：PMOS、NMOS、CMOS（Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor，互补对称金属氧化物半导体）集成电路 特点：功耗低，集成度高，但速度较双极型IC低,8,我们为什么要学习门电路？,门电路是组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、程序逻辑电路的理论基础 要学好后面的电路，必须先了解门电路的电路结构、工作原理及逻辑功能 组合逻辑电路是由各种逻辑门以一定的方式组合在一起构成

6、的数字典路。 触发器是由多个逻辑门（大多是与非门）交叉耦合构成的。 时序逻辑电路是由组合逻辑电路和触发器构成的。 程序逻辑电路主要由控制电路（计数器、寄存器等，译码器、运算器等）和存储器（地址译码器、存储矩阵和输出控制电路）构成。,9,门电路与后续电路的关系示意图,组合逻辑电路,逻辑门组合,触发器,逻辑门交叉耦合,时序逻辑电路,组合逻辑电路,触发器,逻辑门组合,逻辑门交叉耦合,程序逻辑电路,控制电路,存储器,计数器、寄存器等,译码器、运算器等,地址译码器,存储矩阵,输出控制电路,若干存储单元（三极管或MOS管）构成,三态缓冲器,10,3.2 常用半导体器件（补充）,3.2.1 半导体基础知识

7、3.2.2 PN结 3.2.3 半导体二极管 3.2.4 半导体三极管,内容概要,11,3.2.1 半导体基础知识,导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为半导体。 如：硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）以及大多数金属氧化物和硫化物。,半导体特性,1. 热敏特性：温度导电能力可做成各种热敏元件,2. 光敏特性：受光照导电能力可做成各种光电器件,3. 纯净的半导体掺入微量杂质导电能力（几十万几百万倍）可制做半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效应管及晶闸管等。,12,半导体的共价键结构,原子由具有正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。 电子按一定规律分布在核外的不同壳层上，最外壳层上的电子称为价电

8、子。硅和锗都有4个价电子，都是四价元素。 两个相邻的原子之间都有一对电子，任何一个电子，部分时间绕自身原子核运动，另部分时间出现在相邻原子的轨道上，电子不再固定属于某一个原子，而是为两个原子所共有原子间的电子共有化结构称为共价键。,半导体的共价键结构,硅原子,价电子,共价键有很强的结合力，单晶中的价电子不是自由电子，仍是束缚电子，不能参与导电；但在一定温度下，少数电子有可能挣脱束缚成为自由电子。,13,几个基本概念,热激发，产生电子-空穴对 由于热运动的能量使共价键破坏，晶体中产生了能运载电荷的粒子即电子和空穴，这种物理现象称为热激发。 无电场作用时，电子和空穴的运动都是随机的、不规则的，不形

9、成电流。 外电场作用下，电子逆电场方向运动，空穴沿电场方向运动，形成电流。 载流子能运载电荷的粒子 自由电子由于热运动，少数价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子。带负电 空穴某价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，在相应共价键位置上少了一个电子而留下一个空位置，称为空穴。带正电，也像自由电子一样，能在晶体中自由运动。,载流子的产生与复合 热激发同时，还有载流子的复合过程：电子会与空穴相遇，电子与空穴一起消失。在一定温度下，载流子的产生与复合达到动态平衡，晶体中的电子-空穴对维持在一定的数目。,14,常温下自由电子和空穴的产生与复合,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4

10、,自由电子,空穴,成对出现,成对消失,自由电子和空穴称为载流子,15,半导体的分类,半导体分为2类 本征半导体指不含有杂质的、完全纯净的半导体。靠热激发的载流子数目有限，导电能力差。 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素而形成杂质半导体。载流子数目剧增，导电能力强。 P（Positive）型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入微量的三价元素（如硼或铟），导电以空穴为主 N（Negtive）型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷或砷），导电以自由电子为主,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。,半导体中占多数的载流子称为多子；占少

11、数的载流子称为少子。,16,杂质半导体 N型半导体结构示意图,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。,17,杂质半导体 P型半导体结构示意图,少数载流子,多数载流子,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。,18,半导体中载流子的两种运动方式,2、扩散运动 即使没有电场，由于载流子的浓度分布不均匀，也会发生载流子的定向运动从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，扩散运动形成的电流称为扩散电流，它正比于载流子的浓度梯度。,1、漂移运动 载流子在电场中的定向运动称为漂移，由漂移形成的电流称为漂移电流。 半导体中电子逆电场方向定向运动，空穴沿电场方向定向运动，形成半导体总

12、的漂移电流。,半导体中的电流为漂移电流和扩散电流之和。,19,3.2.2 PN结,P 区,N 区,空间电荷区（ PN结）,内电场方向,少子漂移,多子扩散运动方向,（1） PN结的形成（漂移、扩散）,将P型半导体和N型半导体制作在一起，由于浓度差的原因， P型半导体的空穴扩散进入N区，与N区的电子复合； N型半导体的电子扩散进入P区，与P区空穴复合，则在交界面处形成一个PN结。,20,（2）PN结的正向偏置与反向偏置,在PN结两端施以外电压，称为给PN结以偏置。 若外部电压的正极接P区（即PN结内电场的负极），负极接N区（即PN结内电场的正极），则称为正向偏置（正偏置）；反之为反向偏置（反偏置）

13、。,PN结最重要的特性：在正偏置和反偏置时表现出完全不同的电流属性。,未加偏置时，PN结是平衡的，多子的扩散电流与少子的漂移电流平衡（大小相等、方向相反 ），PN结内无宏观电流。 如需PN结产生宏观电流，必须设法破坏其扩散与漂移间的平衡。,正向偏置,21,PN结的单向导电性,PN结正向偏置时，外电场与内电场方向相反，空间电荷区变窄，有利于多子的扩散。多子的扩散运动超过内电场作用下的少子的漂移运动，在PN结内形成了以扩散电流为主的正向的宏观电流IF；该正向电流较大，PN结处于导通状态； PN结反向偏置时，外电场与内电场方向一致，使空间电荷区变宽，多子的扩散运动受阻，少子的漂移运动超过多子的扩散运

14、动，在PN结内形成了以漂移电流为主的反向电流IR 。该反向电流很小，约等于0， PN结截止。,22,3.2.3 半导体二极管,半导体二极管（晶体二极管）是在PN结两侧的中性区上各引出一个欧姆接触的金属电极构成的。 二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型二极管。 按材料划分为硅管和锗管。,点接触型二极管的结构,产品外形,二极管符号,23,二极管的伏安特性,硅管的伏安特性,反向特性,死区,IS,正向特性,击穿电压UBR,开启电压 Uon,iD=f（uD）,+ uD ,描述了二极管的外特性，即管子电流与电压的关系。 二极管对正偏置和反偏置具有截然不同的特性。,24,二极管的伏安特性（续）,死区电

15、压（开启电压） Uon,Si 管：0.5V左右 Ge管：0.1V左右,导通电压,Si 管：0.6V0.8V Ge管：0.2V0.3V,二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,二极管方程,IS：反向饱和电流。 UT：温度的电压当量。常温下，即T=300K（270C）时，UT=26mV。,注意,在反向段：当| uD | UT时，iD IS,25,3.2.4 半导体三极管,半导体三极管又称晶体（三极）管。由两层N型半导体中间夹一层P型半导体（NPN型）或两层P型半导体中间夹一层N型半导体（PNP型）组成。,按结构划分,NPN型,按材料划分,硅管,按功率划分,大功率管,按频率划分,高频管,按用途划分,放大管,PNP型,锗管,小功率管,低频管,开关管,1、半导体三极管的分类,常用三极管的外形图,26,NPN型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,基极B,发射极E,符号,结构 有3个电极， 3个区，两个背向的PN结,发射极箭头的方向表示发射结正偏时的电流方向,Ic,Ib,Ie,27,PNP型三极