《数字电子技术基础》(第五版)教学课件 补：半导体基础知识.ppt

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1、数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础（第五版）（第五版）教学课件教学课件数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版补：半导体基础知识数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版半导体基础知识（半导体基础知识（1 1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅常用：硅SiSi，锗，锗GeGe两种载流子两种载流子数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版

2、第五版第五版第五版半导体基础知识（半导体基础知识（2 2）杂质半导体杂质半导体 N N型半导体型半导体多子：自由电子多子：自由电子少子：空穴少子：空穴数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版半导体基础知识（半导体基础知识（2 2）杂质半导体杂质半导体 P P型半导体型半导体多子：空穴多子：空穴少子：自由电子少子：自由电子数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版半导体基础知识（半导体基础知识（3 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础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术

3、基础第五版第五版第五版第五版半导体基础知识（4）PNPN结的单向导电结的单向导电性性外加外加正向电压正向电压数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版半导体基础知识（4）PNPN结的单向导电结的单向导电性性外加外加反向电压反向电压数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版半导体基础知识（5）PNPN结的伏安特性结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版第三章 门电路数字电子技

4、术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.1 3.1 概述概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与与门、门、与非与非门、门、或或门门 门电路中以高门电路中以高门电路中以高门电路中以高/低电平表低电平表低电平表低电平表示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理高高/低电平都允许低电平都允许有一定的变化范围有一定的变化范围数字电子技术基础数字电子技术基础

5、数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版正逻辑：高电平表示正逻辑：高电平表示1 1，低电平表示，低电平表示0 0负逻辑：高电平表示负逻辑：高电平表示0 0，低电平表示，低电平表示1 1数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性半导体二极管的结构和外特性（DiodeDiode）二极管的结构：二极管的结构：PNPN结结 +引线引线 +封装构成封装构成PN数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.2.13.2.1二极管的开关特性：二极管的开

6、关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 V VI I=V=VIHIH D D截止，截止，V VO O=V=VOHOH=V=VCCCC V VI I=V=VILIL D D导通，导通，V VO O=V=VOLOL=0.7V=0.7V数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二极管的开关等效电路：二极管的开关等效电路：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二极管的动态电流波形：二极管的动态电流波形：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.2.

7、2 3.2.2 二极管与门二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0.7V0.7V0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V3V3V3V3V3.7V3.7VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定3V以上为10.7V以下为0数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.2.3 3.2.3 二极管二极管或或门门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0

8、V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.3V2.3V3V3V0V0V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定2.3V以上为10V以下为0数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二极管构成的门电路的缺点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础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.3 CMOS门电路3.3.1

9、MOS3.3.1MOS管的开关特性管的开关特性一、一、MOSMOS管的结构管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版以以N N沟道增强型沟道增强型为例：为例：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版以以N N沟道增强型沟道增强型为例：为例：当加当加+V+VDSDS时，时，V VGSGS=0=0时，时，D-SD-S间是两个背向间是两个背向PNPN结串联，结串联，i iD D

10、=0=0加上加上+V+VGSGS，且足够大至，且足够大至V VGS GS V VGSGS(thth),D-S,D-S间形成导电沟道间形成导电沟道（N N型层）型层）开启电压数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、输入特性和输出特性二、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0 0，看进去有一个输入电容，看进去有一个输入电容C CI I，对动态有影响。对动态有影响。输出特性：输出特性：i iD D =f(V=f(VDSDS)对应不同的对应不同的V VGSGS下得一族曲线下得一族曲线 。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技

11、术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）截止区截止区恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）截止区：截止区：V VGSGS 10 109 9 数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）恒流区：恒流区：i iD D 基本上由基本上由V VGSGS决定，与决定，与V VDS DS 关系不大关系不大数字电子技术基础数

12、字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）可变电阻区：当可变电阻区：当V VDS DS 较低（近似为较低（近似为0 0），），V VGS GS 一定时，一定时，这个电阻受这个电阻受V VGS GS 控制、可变。控制、可变。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、三、MOSMOS管的基本开关电路管的基本开关电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四、等效电路四、等效电路OFF OFF，截止状态，截止状态 ONON，

13、导通状态，导通状态数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版五、五、MOSMOS管的四种类型管的四种类型增强型增强型耗尽型耗尽型大量正离子导电沟道数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.3.2 CMOS3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、电压、电流传输特性二、电压、电流传输特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第

14、五版第五版第五版三、输入噪声容限三、输入噪声容限数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版结论：可以通过提高结论：可以通过提高V VDDDD来提高噪声容限来提高噪声容限数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.3.3 CMOS 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性一、输入特性一、输入特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、输出特性二、输出特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第

15、五版第五版第五版第五版二、输出特性二、输出特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.3.4 CMOS3.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、交流噪声容限二、交流噪声容限三、动态功耗三、动态功耗数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、动态功耗三、动态功耗数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.3.5 3.3

16、.5 其他类型的其他类型的CMOSCMOS门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路一、其他逻辑功能的门电路1.1.与非与非门门 2.2.或非或非门门 数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版带缓冲极的带缓冲极的CMOSCMOS门门1 1、与非与非门门数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版带缓冲极的带缓冲极的CMOSCMOS门门2.2.解决方法解决方法数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、漏极开路的门电路（二、漏极开路的门电路（ODOD门）门）数字电

17、子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、三、CMOSCMOS传输门及双向模拟开关传输门及双向模拟开关1.1.传输门传输门数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2.2.双向模拟开关双向模拟开关数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四、三态输出门四、三态输出门数字电子技术基础数字电

18、子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三态门的用途三态门的用途数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction TransistorBJT,Bipolar Junction Transistor）3.5 TTL3.5 TTL门电路门电路3.5.1 3.5.1 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版一一、双极型三极管的结构双极型三极管的结构管芯管芯 +

19、三个引出电极三个引出电极 +外壳外壳数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版以以NPNNPN为例说明工作原理：为例说明工作原理：当当V VCCCC V VBBBB be be 结正偏结正偏,bcbc结反偏结反偏 e e区发射大量的电子区发射大量的电子 b b区薄，只有少量的区薄，只有少量的空穴空穴 bcbc反偏，大量电子反偏，大量电子形成形成I IC C数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第

20、五版第五版第五版二二、三极管的输入特性和输出特性三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（三极管的输入特性曲线（NPNNPN）V VONON ：开启电压：开启电压 硅管，硅管，0.5 0.7V0.5 0.7V 锗管，锗管，0.2 0.3V0.2 0.3V 近似认为近似认为:V VBE BE V 0.7V 0.7V以后，基本为水平直线以后，基本为水平直线数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版 特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区：条件放大区：条件V VCE CE 0.7V,0.7V,i iB B 0,0,i iC C随随i iB B

21、成正比变化，成正比变化，i iC C=i iB B。饱和区：条件饱和区：条件V VCE CE 0.7V,0,V 0,VCE CE 很低，很低，i iC C 随随 i iB B增加增加变变缓缓，趋趋于于“饱饱和和”。截止区：条件截止区：条件V VBE BE=0V,=0V,i iB B=0,=0,i iC C=0,ce=0,ce间间“断开断开”。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截

22、止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，V VOO=V=VOLOL数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版工作状态分析：工作状态分析：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版图解分析法：图解分析法：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四、三极管的开关等效电路四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础

23、数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版五、动态开关特性从二极管已知，从二极管已知，PNPN结存在电容效结存在电容效应。应。在饱和与截止两个在饱和与截止两个状态之间转换时，状态之间转换时，i iC C的变化将滞后于的变化将滞后于V VI I，则，则V VOO的变化也的变化也滞后于滞后于V VI I。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版六六 、三极管三极管反相器反相器三极管的基本开关电路就是三极管的基本开关电路就是非非门门实际应用中，为保证实际应用中，为保证VI=VVI=VILIL时时T T可靠截止，常在可靠截止，常在 输入接入负压。输入接入负

24、压。参数合理？参数合理？参数合理？参数合理？V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHVI=VIHVI=VIH时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOLOL数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例例3.5.13.5.1：计算参数设计是否合理：计算参数设计是否合理5V-8V3.3K10K1K=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版例例3.5.13.5.1：计算参

25、数设计是否合理：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效的将发射极外接电路化为等效的V VB B与与R RB B电路电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版当当当当又又因此，参数设计合理因此，参数设计合理数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.5.2 TTL3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构设设 数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、电压传输特性二、电压传输特性数字电子技术基

26、础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、电压传输特性二、电压传输特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、电压传输特性二、电压传输特性数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版需要说明的几个问题：需要说明的几个问题：数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、输入噪声容限三、输入噪声容限数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.5.3 TTL3.5.3 TTL反

27、相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性例：扇出系数（例：扇出系数（Fan-outFan-out），），试计算门试计算门G1G1能驱动多少个同样的门电路负载。能驱动多少个同样的门电路负载。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版输入数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版输出数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.5.4 TTL3.5.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间1 1、现象、现象数字

28、电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、交流噪声容限二、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限 当输入信号为窄脉冲，且接近于当输入信号为窄脉冲，且接近于t tpdpd时，输出变化跟不上，时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2 2、动态尖峰电流

29、、动态尖峰电流数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.5.53.5.5其他类型的其他类型的TTLTTL门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路一、其他逻辑功能的门电路1.1.与非与非门门数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2.2.或非或非门门3.与或非门数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版4.4.异或异或门门数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数

30、字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、集电极开路的门电路二、集电极开路的门电路1 1、推拉式输出电路结构的局限性、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用输出端不能并联使用 OCOC门门数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2 2、OCOC门的结构特点门的结构特点数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版OCOC门实现的门实现的线与线与数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础

31、第五版第五版第五版第五版三、三态输出门（三、三态输出门（Three state Output Gate,TSThree state Output Gate,TS）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三态门的用途三态门的用途数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版一、高速系列一、高速系列74H/54H 74H/54H （High-Speed TTLHigh-Speed TTL）1.1.电路的改进电路的改进(1)(1)输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻RoRo）(2)(2)

32、减少各电阻值减少各电阻值2.2.性能特点性能特点速度提高速度提高 的同时功耗也增加的同时功耗也增加 2.4.5 TTL2.4.5 TTL电路的改进系列电路的改进系列（改进指标：（改进指标：)数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、肖特基系列二、肖特基系列74S/54S74S/54S（SchottkySchottky TTL TTL）1.1.电路改进电路改进(1)(1)采用抗饱和三极管采用抗饱和三极管(2)(2)用有源泄放电路代替用有源泄放电路代替74H74H系列中的系列中的R3R3(3)(3)减小电阻值减小电阻值2.2.性能特点性能特点速度进

33、一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、低功耗肖特基系列三、低功耗肖特基系列74LS/54LS 74LS/54LS（Low-Power Low-Power SchottkySchottky TTL TTL）四、四、74AS,74ALS 74AS,74ALS（Advanced Low-Power Advanced Low-Power SchottkySchottky TTL TTL）2.5 2.5 其他类型的双极型数字集成电路其他类型的双极型数字集成电路*DTLDTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTLHTL：电源电压高，：电源电压高，VthVth高，抗干扰性好，已被高，抗干扰性好，已被CMOSCMOS替代替代ECLECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I I2 2L L：属饱和逻辑，电路简单，用于：属饱和逻辑，电路简单，用于LSILSI内部电路内部电路