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

《数字电子技术基本教程》《数字电子技术基本教程》教学课件清华大学王红陈莉平阎石联系地址：清华大学自动化系邮政编码：100084电子信箱：[e-mail]联系电话：[phone]《数字电子技术基本教程》补：半导体基础知识《数字电子技术基本教程》半导体基础知识（1）•本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。•常用：硅Si，锗Ge两种载流子《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》半导体基础知识（4）•PN结的单向导电性•外加正向电压《数字电子技术基本教程》半导体基础知识（4）•PN结的单向导电性•外加反向电压《数字电子技术基本教程》半导体基础知识（5）•PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区qnkTVeIiTVVST)(1K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷《数字电子技术基本教程》第三章逻辑门《数字电子技术基本教程》3.1MOS管的开关特性S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底1.N沟道增强型MOS管的结构和符号PN结半导体层SiO2绝缘层《数字电子技术基本教程》N沟道增强型MOS管的开关状态(1)VIL=0时，D-S间不导通，MOS管截止，ROFF106Ω，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，ROFF1KΩ，开关接通D-S间相当于是一个受VI控制的开关开启电压《数字电子技术基本教程》S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底2.P沟道增强型MOS管的结构和符号《数字电子技术基本教程》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S-D之间也构成一个受VI控制的开关。《数字电子技术基本教程》3.N沟道耗尽型和P沟道耗尽型区别：耗尽型MOS管在VGS=0时就已经有导电沟道存在《数字电子技术基本教程》3.2CMOS门电路3.2.1CMOS反相器和传输门1.CMOS反相器(1)电路结构《数字电子技术基本教程》(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。《数字电子技术基本教程》(3)电压、电流传输特性DDOTH2121TPDDITNOLOTPDDIOHDDOTNI2121,,0VVVVTTTTVVVVVVVVVVVVVVDD时，参数完全对称，若同时导通。，时，时，《数字电子技术基本教程》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。《数字电子技术基本教程》3.2.2CMOS与非门、或非门和异或门1.与非门0TTTT11TT011TT101TTTT0432131424321YBAYBAYBAYBA截止，和导通，和时，当导通，截止、时，，当导通，截止、时，，当导通，和截止、和时，当《数字电子技术基本教程》2.或非门）（因此，时，同时为、，当中有一个是、BAYYBAYBA1001《数字电子技术基本教程》3.异或门0TGTG10TGTG01TGTG101TGTG0121212121BYBABYBABYBABYBA导通，截止、时，当截止，导通、时，当截止，导通、时，，当导通，截止、时，，当《数字电子技术基本教程》4.异或非门工作原理与异或门类似《数字电子技术基本教程》5.与门、或门和同相缓冲器由反相器、传输门、与非门、或非门可以组成其他逻辑功能的门电路或逻辑电路。与非门+反相器或非门+反相器反相器+反相器《数字电子技术基本教程》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。《数字电子技术基本教程》)(10高阻时，时，ZYNEAYNE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《数字电子技术基本教程》三态门的用途：总线连接《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》(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RP0OLDDOHOFFPONVVVRRR、，则若《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》P(max)LOHOHDDPOHPLOHDDPOH)()()(RInIVVRVRInIVRV不能太大，，为保证输出电压高于P(min)LOL(max)OLDDPOL(max)POLDDLPOL(max))()()(ODRIIVVRIRVVIRI不能太小，电平输出电流最大值低门的电流不超过允许的为保证流入《数字电子技术基本教程》漏极开路输出的CMOS门电路的用途：接成总线结构《数字电子技术基本教程》3.2.4CMOS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。《数字电子技术基本教程》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。《数字电子技术基本教程》3.2.5CMOS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VILVDD为+5V时，74HC系列集成电路的VIH(max)约为3.5V，VIL(max)约为1.5V。(2)输出高电平VOH和输出低电平VOLVDD为+5V时，74HC系列集成电路的VOH(min)为4.4V（当输出端流出的负载电流为－4mA时），VOL(max)为0.33V（当流入输出端的负载电流为4mA时）。《数字电子技术基本教程》(3)噪声容限VNH和VNLVNH＝VOH(min)－VIH(min)＝4.3－3.5＝0.8VVNL＝VIL(max)－VOL(max)＝1.5－0.33＝1.17V(4)高电平输入电流IIH和低电平输入电流IILIIH(max)和IIL(max)通常在1μA以下。《数字电子技术基本教程》(5)高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL74HC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。《数字电子技术基本教程》2.开关电气特性和参数也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、电流特性。(1)传输延迟时间tpd在CL＝50pF的条件下，74HC04的传输延迟时间tpd约为9ns。(2)动态功耗fVCCPPP2DDpdLTLD)(《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》2.二极管的开关等效电路：《数字电子技术基本教程》二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二极管导通时VDF=0.7VABY0.3V0.3V1.0V0.3V4.0V1.0V4.0V0.3V1.0V4.0V4.0V4.7VABY000010100111规定4V以上为11V以下为0《数字电子技术基本教程》二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二极管导通时VDF=0.7VABY0.3V0.3V0V0.3V4.0V3.3V4.0V0.3V3.3V4.0V4.0V3.3VABY000011101111规定3.3V以上为10.3V以下为0《数字电子技术基本教程》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《数字电子技术基本教程》1.双极型三极管的结构示意图和符号npn型三极管pnp型三极管3.3.2双极型三极管的开关特性《数字电子技术基本教程》2.npn型三极管开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL《数字电子技术基本教程》工作状态分析：。三极管工作在截止状态、时，当,00)1(CBONIiiVV三极管工作在放大区所以。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当,)7.0(/)7.0(,)7.0(,)2(CECBIBCICCCCCCCECBIBCBIBBONIViiVRRVVRiVVRRViiRViiVV很低。很小、导电电阻间饱和压降态，三极管进入饱和导通状增加而增加也不能再随时已不能再减小，接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当CE(sat)CE(sat)BCCECECI0)3(RVeciiVViV《数字电子技术基本教程》3.三极管的开关等效电路《数字电子技术基本教程》3.4TTL门电路3.4.1TTL反相器1.电路结构和工作原理设定：(1)(2)输入级倒相级输出级VVPNVVVVVV7.02.04.35ONILIHCC结导通压降OHOILI2.0VVVVV)0()1(6.3OLOIHIYVVAVVV《数字电子技术基本教程》•需要说明的几个问题：①②③④故称倒相级。相反变化方向和的输出组成。、和倒相级由,e2C22322VVTRRT。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了止。总有一个导通、一个截和，组成输出级，在稳态下和和、由434243TTRDTT可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰3421TTDD提供驱动信号组成，为后面的倒相级和输入级由111,DRT《数字电子技术基本教程》工作状态分析V6.3DV9.07.02.0V2.0OHR2D2BE3R2CCOH2342B11ILVvVvvVVTTTvTV，得到忽略导通、截止，、＝＋＝导通时，＝《数字电子技术基本教程》工作状态分析截止导通，不变，导通，输出、以后，＝至时＝32B1IOL42B1B1IIHV1.2,V6.3TTvvVTTvvvV《数字电子技术基本教程》电压传输特性阈值电压VTH约为1.4V《数字电子技术基本教程》2.输入特性以反相器SN7404为例mA1104/)2.07.05(/)(V2.031ILBE1CCILILIRVvVIVV时，当A4001.0,V1.2V6.3IH(max)IH1B1IHIIITvVV非常小输入电流小于处于“倒置”状态，时，当《数字电子技术基本教程》左右维持在，＝以后，升至－＝的增加而升高将随接地，若将输入端经过电阻V4.1V1.2V4.1)/()(IB1P1P1BECCIPIPvvRRRvVvRvR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《数字电子技术基本教程》3.输出特性1.反相器接有负