数字电子技术 —— 第二章:逻辑门电路

羽t

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分类专栏：数字电子技术文章标签：笔记

于 2024-06-29 17:39:52 首次发布

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1. 半导体器件的开关特性

学习要求：

了解逻辑门电路的作用和常用类型。
理解高电平信号和低电平信号的含义。
了解二极管、三极管和MOS 管的开关特性。

1.1 门电路的作用和常用类型

门电路(Gate Circuit)
指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。
常用的逻辑门电路:
与门或门非门异或门与非门或非门与或非门

按电路结构不同分：
TTL 集成门电路（TTL 即 Transistor-Transistor Logic），输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。
CMOS 集成门电路（CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），用互补对称MOS 管构成的逻辑门电路。

按功能特点不同分（输出方式）
①：普通门（推拉式输出）②：输出开路门 ③：三态门 ④：CMOS传输门

1.2 高电平和低电平的含义

高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。

1.3 二极管的开关特性

1.3.1 本征半导体

导体：自然界中很容易导电的物质，例如金属。
绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料和石英等。
半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如锗、硅、砷化嫁和一些硫化物、氧化物等

现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是4个

通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和错晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。

共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱

1.3.2 本征半导体的导电机理

（1）载流子、自由电子和空穴
在绝对0度 (T=0K) 和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运
动的带电粒子(即载流子)，它的导电能力为0，相当于绝缘体。
在常温下，由于热激发(本征激发)，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为
自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。

（2）导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。

本征半导体中电流由两部分组成：
①：自由电子移动产生的电流。
②：空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个
重要的外部因素，这是半导体的一大特点一 温敏特性。

1.3.3 N型、P 型半导体

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）形成杂质半导体一 掺杂特性。

无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。

1.3.4 PN结的形成

先：

后：

1.3.5 PN结的单向导电性

（1） PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负

（2） PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正

结论: PN结正偏，导通，反偏，截止。

1.3.6 二极管外观及符号

1.3.7 二极管的静态开关特性

1.4. 晶体管的开关特性

1.4.1 三极管结构及符号

1.4.2 三极管内部载流子的运动

三极管根据两个PN结所施加的电压不同，有四种不同工作状态:
（1）放大状态：发射结正偏、集电结反偏
（2）截止状态：发射结反偏、集电结反偏
（3）饱和状态：发射结正偏、集电结正偏
（4）倒置状态：发射结反偏、集电结正偏

先：

有：

且：

电流控制电流型

三极管各工作状态电流之间的关系：

状态	电流关系	条件
放大	$i_{C}=\beta i_{B}$	发射结正偏，集电结反偏
饱和	$i_{B}\geqslant I_{BS}$	两个结正偏
截止	$i_{B}\approx 0,i_{C}\approx 0$	两个结反偏

1.4.3 三极管的静态开关特性

1.5 MOS 管的开关特性

场效应晶体管只有一种载流子 ( 多数载流子 ) 参与导电，又称为单极型三极管。场效应晶体管是
利用电场 ( 电压 ) 控制半导体中载流子运动的一种有源器件。目前场效应管应用得最多的是以二
氧化硅作为绝缘介质的金属-氧化物-半导体绝缘栅型场效应管 (Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor，MOSFET)，简称为 MOS 管。