数字电路逻辑设计第三章 集成逻辑门.ppt

数字电路逻辑设计
第三章集成逻辑门
本章主要介绍以下内容:
晶体管的开关特性
TTL集成逻辑门
CMOS电路
对发射极耦合逻辑(ECL)和MOS逻辑门电路作一般性介绍。
第一节晶体管开关特性
数字电路的基本细胞是晶体管,数字电路是
由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作
特性实际上取决于晶体管的特性。
在数字电路中晶体管工作在开关状态,本章
将简要介绍晶体管的开关特性,并介绍二极管限
幅器、钳位器,三极管反相器。
一、 PN 结特性
(一)、PN结的构成
半导体材料经不同掺杂过程,可使其内部的电子和空
穴的浓度各不相同。浓度大的称为多数载流子,浓度小
的称为少数载流子。
多子为电子的是N型材料;多子为空穴的是P型材料。
晶体二极管和三极管由P型和N型半导体材料复合而
成,P型和N型半导体材料贴在一起,其接合部称为结。
二极管有一个结,三极管有两个结。
(二)、扩散电流和漂移电流
扩散电流:由于PN结两边载流子的浓度差别,载流子
会从浓度高的一方向浓度低的一方运动,称为扩散运动,
它产生扩散电流。
漂移电流:由于电位差的存在,载流子在电场的作用下
产生的运动,称为漂移运动,它产生漂移电流。
电位差来自外加电压和电荷积累构成的内电场。
流过PN结的总电流= 扩散电流+ 漂移电流
(三)、外加电压对PN结的影响 PN结的通断,流过PN结的电流大小,与PN 结处的少子浓度有关,而少子浓度直接受PN结外加电压的影响,因此我们分析一下外加电压的几种情况:
无外加电压: 浓度造成的扩散和内电场造成的漂移
达到动态平衡,PN结面的净电荷为零,PN结没有电流流
过。
外加正向电压:外加电场克服内电场,其形成的少子
运动与扩散运动一致,PN结处少子浓度加大,有较大电
流流过PN结。
外加反向电压:加强了内电场,抑制了扩散运动,
PN结处少子浓度很低,只有很小的反向电流。
三种情况下的少子浓度分布图见书。
这可用中俄边贸的情况作个比喻。
(四)、PN结的电容效应
PN 复合结构可细分为两部分,接合部附近称为结,
也叫空间电荷区。结两边的区域称为扩散区。
在上述两区域内,离子电荷、载流子浓度随外加电
压的变化而变化,是影响PN结电流电压特性的根本原因。
这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。空间
电荷区等效为位垒电容,扩散区等效为扩散电容。
了解PN结内部的变化过程,对理解二极管的开关特
性具有重要意义。
二、晶体二极管的开关特性 二极管(就是一个PN结)具有单向导电性,理想二极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一些区别的,特别是在高频电路中,必须加以注意。
(一)、二极管稳态开关特性 i = Is ( e q v / ( k T ) - 1 )
v=0时 I=0;
v为负时,I= - Is
v为正时,
I=Is e q v / ( k T )
理想/实际二极管:
导通:端电压=0 / VD
截止:I = 0 / -IS
(二)、瞬态开关特性
二极管瞬态开关特性的细节,同学们自己再看一看,主要问题是:
反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要因素、正向
恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因是电
荷存储效应(外加正向电压时,非平衡少子的积累)。
反向恢复时间与哪些因素有关?
t r t s t f 的定义?
(三)、晶体二极管开关参数
自己看书,应知道有哪些主要参数,它们的物理意义
取值的大致范围。比如:最大正向电流、最大反向电压、
反向电流和反向恢复时间等。