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第三章 逻辑门 1、半导体基础知识 半导体 介于导体和绝缘体之间的称为半导体。 硅（Si，原子序号14）、锗（Ge，原子序号32 ） 二者共同点：最外层轨道上有4个电子（价电子），价电子决定着物质的物理和化学性质。 将原子核和内层电子看作一个带有+4电荷的正离子（惯性核），一个4价元素的原子由惯性核与4个价电子来表示。 半导体特性 本征半导体（pure semiconductor） 硅(锗)的晶体，相邻原子共有一对价电子：共价键 本证激发 在一定温度下，由于随机热振动，极少数价电子会获得足够的能量而摆脱共价键的束缚，成为自由电子，同时留下一个空位。 由于共价键中出现了空位，相邻价电子就可填补到这个空位上，从而留下新的“空位”，看起来好像是空穴的移动。 载流子（电子 – 空穴对）的产生和复合 当温度一定时，载流子的产生率等于复合率，即达到一种动态平衡 杂质半导体（mixed semiconductor） N型半导体 4价晶体中掺入5价元素（如：磷）-- 施主杂质 组成共价键后多余出一个电子，该电子不受共价键束缚--自由电子，同时产生一个正离子。 电子型半导体（N型） 多数载流子 – 电子 P型半导体 4价晶体中掺入3价元素（如：硼）-- 受主杂质 组成共价键后缺少一个电子而形成空穴，同时产生一个负离子。 空穴型半导体（P型） 多数载流子 – 空穴 PN结及其单向导电特性 PN结—各种半导体器件的基础 将P型和N型制作在同一半导体上，交界处： PN结 PN结的形成 扩散运动与漂移运动达到动态平衡——PN结形成 产生电位差Uho （硅：0.7V，锗：0.2V） PN结单向导电特性 PN结加正向电压：P接正极，N接负极 外电场削弱了内电场，使空间电荷区变窄，扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而形成较大的扩散电流。 PN结导通，电流受外电压的影响明显。 PN结加反向电压： N接正极， P接负极 外电场增强了内电场，使空间电荷区变宽，阻止扩散运动，加强漂移运动 PN结截止，反向饱和电流很小(易受温度影响) 2、半导体二极管 点接触型：电流小，结电容小，高频 面结合型：电流大，结电容大，低频 平面型：扩散法制造，结面积有大有小 二极管伏安特性 正向特性 V较小时，正向电流几乎为0 – 死区 V大于死区电压时，正向电流随电压指数增加—导通 Is VBR I V 正向特性 反向特性 死区 反向特性 反向电压V小于VBR时，反向饱和电流Is很小—截止 反向电压V大于VBR时，反向电流急剧增大 — 击穿 VBR – 反向击穿电压 理想模型 恒压降模型 例：VD=0.7V，估算开关断开和闭合时的Uo 开关断开时，二极管导通： Vo=V1-VD=5.3V 开关闭合时，二极管截止： Vo=V2=12V 3、半导体三极管 结构和符号 两个PN结、三个电极 平面型（NPN） 特点：基区很薄，几个微米，且掺杂浓度很低； 发射区的掺杂浓度很高； 集电结的结面积较大。 内部载流子的运动及电流形成 外部条件：发射结正偏，集电结反偏 发射过程：发射结正偏，向基区扩散电子 复合和扩散过程：电子穿过基区向集电结扩散，极少数与基区空穴复合（IB） 收集过程：集电结反偏，收集扩散过来的电子（IC） 晶体管的电流分配关系 对于特定的三极管，IB和IC的比例基本保持一定（20—200）(当三极管处在放大状态时) 三极管的特性曲线 三极管的特性曲线—— 输出特性： 三极管工作在饱和区和截止区构成开关电路 例题见书P43 例题3.1 4、N沟道增强型MOS管 沟道夹断之前，id随uds增加而线性增加。 沟道夹断之后，id几乎不随uds增加而增加。此时， 主要收ugs控制。 5、分立元件逻辑门（缺图，手画） 二极管与门（AND gate） A、B、C 三个输入端，只要有一个为 低电平0V(逻辑0)，输出Y将为低电平 0.7V(逻辑0)；只有当三个输入全部 接高电平5V(逻辑1)时，输出才为高 电平5V(逻辑1)：Y=ABC 二极管或门（OR gate） A、B、C 三个输入端，只要有一个为 高电平5V(逻辑1)，输出Y将为高电平 4.3V(逻辑1)；只有当三个输入全部 接低电平0V(逻辑0)时，输出才为低 电平0V(逻辑0)：Y=A+B+C 三极管非门 当输入A为低电平0V(逻辑0)时，输出Y将为高 电平5V(逻辑1)；当输入A为高电平5V(逻辑1) 时，输出Y为低电平0.3V(逻辑0)： CMOS反相器 （少箭头、少图） 输入为低电平VIL = 0V时 VGS1＜VT1 T1管截止； |VGS2| ＞VT2 T2导通 电路中电流近似为零 ,VDD主要降落在T1上，输出为高电平VO