– 超大规模集成电路(VLSI：Very Large Scale Integrating),一块芯 片上含10+4~10+6个门。
如果集成逻辑门是以双极型晶体管(电子和空穴两种 载流子均参与导电)为基础的，则称为双极型集成逻辑门电 路。它主要有下列几种类型：
– 晶体管—晶体管逻辑(TTL：Transistor-Transistor Logic)； – 高阈值逻辑(HTL：High Threshold Logic)； – 射极耦合逻辑(ECL：Emitter Coupled Logic； ECL门又
• PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增 强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增 大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结 烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。
半导体器件简介
• 二极管D（Diode）
– 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的 p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自 建电场。
负逻辑：低电平表示 逻辑1，高电平表示0
逻辑1 +Vcc
逻辑0 +Vcc
逻辑0
0V
逻辑1
0V
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
1、二极管的开关特性
二极管符号： ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极
＋ uD －
负极
理想开关
理想开关的特性： •开关S断开时，通过开关的电流i=0,这时开关两端点间呈现的电 阻为无穷大 •开关S闭合时，开关两端的电压v=0,这时开关两端点间呈现的电 阻为零 •开关S的接通或断开动作瞬间完成 •上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响
文件名
尽信书，则不如无书
半导体器件的开关特性 和分立元件门电路
•半导体器件简介
•PN结 •二极管 •三极管 •场效应管
•半导体器件的开关特性 •第三章概述
半导体器件简介
• PN结
– 采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半 导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就 形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导 电性。
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间 电 压
ce 间 等 效 电 阻
截止 iB＝ 0
发射结反偏 集电结反偏 uBE<0， uBC<0
iC＝ 0
uCE＝ VCC
很大， 相当开关断开
放大 0＜ iB＜ IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0， uBC<0
iC＝ β iB uCE＝ VCC－
叫做电流开关逻辑门，即Current Switching Logic,CSL)；
– 集成注入逻辑(I2L ：Integrated Injection Logic)。
如果集成逻辑门是以单极型晶体管(只有一种极性 的载流子：电子或空穴)为基础的，则称为单极型集成 逻辑门电路。目前应用得最广泛的是金属—氧化物— 半 导 体 场 效 应 管 逻 辑 电 路 (MOS ： Metal Oxide Semiconductor)。
MOS电路又可分为：
– PMOS(P沟道MOS)； – NMOS(N沟道MOS)； – CMOS(PMOS—NMOS互补)。
§3.1 晶体管的开关特性
门：具有开关作用。 门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。
一、器件的开关作用
体现开关作用→静态特性 开关特性 转换过程→动态特性
Z＝0 →短路、相当开关闭合
二极管的稳态开关特性
二极管伏安特性
iD Ise qD /v kT 1
理想二极管开关特性 二极管特性折线简化
Vi<Vth时，二极管截止，iD=0。 Vi>Vth时，二极管导通。
二极管的瞬态开关特性
理想二极管开关特性
二极管瞬态开关特性
2、三极管的开关特性
NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点
D2
0V
B
要分析输入的各种状态
⒈二极管与门(续)
真值表:
VA VB VF D1 D2
ABF
0V 0V 0.7V 通 通 0→低电位 0 0 0
实现
0V 5V 0.7V 通 止
4
PN结
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。
• 如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则 空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区 变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。
– （PN junction）
PN结
• 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的 电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而 电离杂质（离子）是固定不动的 。
• N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。 • 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半
导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导 体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此 在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分 布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。 • P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一 边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电 场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
三、半导体三极管的开关特性
Vcc=5V
⒈开关作用
1k
Vbe
Vbc
Vi
截止 反偏 反偏， ib＝ic ＝0，开关断开。 10K
Vo T β =30
放大 正偏 反偏， ic ＝ βib， 线性放大。
饱和 正偏 正偏， ib >Ibs ， 开关闭合。
ib Ib sV c R cV C ce sV R c C c , V ce s 0 .3 V
而将其余部分抑制，从而实现对脉冲波形的变换或整形。从输出 波形来看，可分为上限幅、下限幅、上下限幅几种。从电路结构 结构上看，限幅电路可分为串联、并联限幅两种。
3.二极管开关应用电路（续）
（2）钳位电路。钳位电路是将脉冲波形的顶部或底部钳定在某
一选定电平上。其实质是由二极管的通断来改变RC电路的充放电 时间常数，使得电容C实现快充慢放或者慢充快放，达到钳位波形 的目的。
是
– 栅极Gate，G – 源极Source，S – 漏极Drain，D
半导体器件的开关特性
逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电 路。简称门电路。
基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。
逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。
正逻辑：高电平表示 逻辑1，低电平表示0
– 当不存在外加电压时，处于电平衡状态。 – 当外界有正向电压偏置时，引起正向电流。 – 当外界有反向电压偏置时，形成在一定反向电压范
围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 – 当外加的反向电压高到一定程度时，产生了数值很
大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管
• 正向特性
– 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极 管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
– MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效 应管，英文缩写为MOSFET（Metal-OxideSemiconductor Field-Effect-Transistor），属 于绝缘栅型。
– 其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层 二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。
场效应管
• 它也分N沟道管和P沟道管， • 它和三极管一样，也有三个引脚，分别
导通→截止时间toff较大
⑵ toff中 ts占主要部分。
四、基本门电路
对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路
⒈二极管与门（D与门）
⑴电路 ⑵原理
D1
5V A
Vcc（5V） R
F
电位表： VA VB 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
VF 0.7V 0.7V 0.7V 5V
D1 D2 通通 通止 止通 止止
iC R c
可变
饱和
iB＞ IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0， uBC>0
iC＝ ICS uCE ＝ U CE S＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
三极管的稳态开关特性
基本单管共射电路
单管共射电路直流传输特性
三极管的瞬态开关特性
3、场效应管的开关特性
+VDD RD
D ui G
ui
S
• 反向特性
– 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二 极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称 为反向偏置。
– 二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电 流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二 极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
– 小规模集成电路(SSI：Small Scale Integrating)，一块芯片上含 1~50个门。
– 中规模集成电路(MSI：Medium Scale Integrating),一块芯片上 含50~100个门。
– 大规模集成电路(LSI：Large Scale Integrating),一块芯片上含 100~10000个门。
⒈开关作用（续）
Vcc=5V
临界饱和：Vbc＝0 V 时，T处于临界饱和
ibIb s IcV cc R V C ces ,V ce s0 .3 VV i 10K
饱和系数： B ib
I bs