清華半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)《數(shù)字電子技術(shù)基本教程》教學(xué)

《數(shù)字電子技術(shù)基本教程》教學(xué)課件

清華大學(xué)

王紅陳莉平閻石聯(lián)系地址：清華大學(xué)自動(dòng)化系郵政編碼：100084電子信箱：wang_hong@聯(lián)系電話：(010)62792973補(bǔ)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（1）本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。常用：硅Si，鍺Ge兩種載流子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體多子：自由電子少子：空穴半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體多子：空穴少子：自由電子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（3）PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴(kuò)散和漂移半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（5）PN結(jié)的伏安特性正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波耳茲曼常數(shù)T:熱力學(xué)溫度q:電子電荷第三章邏輯門3.1MOS管的開關(guān)特性S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底1.N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)PN結(jié)半導(dǎo)體層SiO2絕緣層N溝道增強(qiáng)型MOS管的開關(guān)狀態(tài)(1)VIL=0時(shí)，D-S間不導(dǎo)通，MOS管截止，ROFF>106Ω，開關(guān)斷開(2)加上足夠高的+VIH，且>VT,D-S間形成n型導(dǎo)電溝道，MOS管導(dǎo)通，ROFF<1KΩ，開關(guān)接通D-S間相當(dāng)于是一個(gè)受VI控制的開關(guān)開啟電壓S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底2.P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)P溝道增強(qiáng)型MOS管的開關(guān)狀態(tài)(1)VIH=VDD時(shí)，

VGS=0，S-D間不導(dǎo)通，MOS管截止(2)VIL=0時(shí)，VGS=－VDD，且VDD>|VT|，S-D間形成p型導(dǎo)電溝道，MOS管導(dǎo)通S-D之間也構(gòu)成一個(gè)受VI控制的開關(guān)。3.N溝道耗盡型和P溝道耗盡型

區(qū)別：耗盡型MOS管在VGS=0時(shí)就已經(jīng)有導(dǎo)電溝道存在3.2CMOS門電路3.2.1CMOS反相器和傳輸門1.CMOS反相器(1)電路結(jié)構(gòu)(2)開關(guān)等效電路設(shè)定：VDD=+5V，VIH=5V，VIL=0V，且VDD>|VTN|+|VTP|

當(dāng)VIL=0時(shí)，T1的VGS=0，T1截止；T2的VGS=-VDD，T2導(dǎo)通；故VOH=VDD。當(dāng)VIH=VDD時(shí)，T2的VGS=0，T2截止；T1的VGS=VDD，T1導(dǎo)通；故VOL=0。(3)電壓、電流傳輸特性2.CMOS傳輸門開關(guān)狀態(tài)由加在P和N的控制信號(hào)決定。當(dāng)P=0V，N=VDD時(shí)，兩個(gè)MOS管均導(dǎo)通，A-B接通。當(dāng)P=VDD，N=0V時(shí)，兩個(gè)MOS管均截止，A-B斷開。3.2.2CMOS與非門、或非門和異或門1.與非門2.或非門3.異或門4.異或非門工作原理與異或門類似5.與門、或門和同相緩沖器由反相器、傳輸門、與非門、或非門可以組成其他邏輯功能的門電路或邏輯電路。

與非門+反相器或非門+反相器反相器+反相器6.輸入、輸出端有反相器的或非門和與非門通常在集成電路芯片的每個(gè)輸入和輸出端內(nèi)部都接有標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的反相器。3.2.3三態(tài)輸出和漏極開路輸出的CMOS門電路

1.三態(tài)輸出的門電路三態(tài)門的用途：總線連接2.漏極開路輸出的門電路(1)輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)線與運(yùn)算(2)需要在輸出端與電源之間外接上拉電阻RP(1)輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)線與運(yùn)算(2)使用時(shí)在輸出端與電源之間外接上拉電阻RPRP的計(jì)算方法

將n個(gè)OD門接成“線與”結(jié)構(gòu)，并考慮存在負(fù)載電流IL的情況下，電路如圖所示漏極開路輸出的CMOS門電路的用途：接成總線結(jié)構(gòu)3.2.4CMOS電路的靜電防護(hù)和鎖定效應(yīng)1.靜電防護(hù)為了防止靜電擊穿，在CMOS集成電路的每個(gè)輸入端都設(shè)置了輸入保護(hù)電路。2.鎖定效應(yīng)當(dāng)CMOS電路的輸入端或輸出端出現(xiàn)瞬時(shí)高壓時(shí)，有可能使電路進(jìn)入這樣一種狀態(tài)，即電源至電路公共端之間有很大的電流流過(guò)，輸入端也失去了控制作用。通過(guò)改進(jìn)制造工藝，已經(jīng)可以做到一般情況下不會(huì)發(fā)生，但還不能絕對(duì)避免。3.2.5CMOS電路的電氣特性和參數(shù)1.直流電氣特性和參數(shù)也稱靜態(tài)特性，指電路處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下的電壓、電流特性，通常用一系列電氣參數(shù)來(lái)描述。(1)輸入高電平VIH和輸入低電平VILVDD為+5V時(shí)，74HC系列集成電路的VIH(max)約為3.5V，

VIL(max)約為1.5V。(2)輸出高電平VOH和輸出低電平VOL

VDD為+5V時(shí)，

74HC系列集成電路的VOH(min)為4.4V（當(dāng)輸出端流出的負(fù)載電流為－4mA時(shí)），VOL(max)為0.33V（當(dāng)流入輸出端的負(fù)載電流為4mA時(shí)）。(3)噪聲容限VNH和VNL

VNH＝VOH(min)－VIH(min)

＝4.3－3.5＝0.8V

VNL＝VIL(max)－VOL(max)

＝1.5－0.33＝1.17V(4)高電平輸入電流IIH和低電平輸入電流IILIIH(max)和IIL(max)通常在1μA以下。(5)高電平輸出電流IOH和低電平輸出電流IOL

74HC系列電路中，當(dāng)VDD＝5V時(shí)，RON(N)不大于50Ω，而RON(N)在100Ω以內(nèi)；高電平輸出電流IOH為-4mA；低電平輸出電流IOL為4mA。2.開關(guān)電氣特性和參數(shù)也稱動(dòng)態(tài)特性，是指電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電壓、電流特性。(1)傳輸延遲時(shí)間tpd在CL＝50pF的條件下，74HC04的傳輸延遲時(shí)間tpd約為9ns。

(2)動(dòng)態(tài)功耗3.3雙極型半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性

3.3.1雙極型二極管的開關(guān)特性和二極管門電路1.二極管的結(jié)構(gòu)和伏安特性：

PN結(jié)+引線+封裝構(gòu)成2.二極管的開關(guān)等效電路：二極管與門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0.3V0.3V1.0V0.3V4.0V1.0V4.0V0.3V1.0V4.0V4.0V4.7VABY000010100111規(guī)定4V以上為11V以下為0二極管或門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0.3V0.3V0V0.3V4.0V3.3V4.0V0.3V3.3V4.0V4.0V3.3VABY000011101111規(guī)定3.3V以上為10.3V以下為0二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn)電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路1.雙極型三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

npn型三極管pnp型三極管3.3.2雙極型三極管的開關(guān)特性2.npn型三極管開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：3.三極管的開關(guān)等效電路3.4TTL門電路3.4.1TTL反相器1.電路結(jié)構(gòu)和工作原理設(shè)定：(1)(2)

輸入級(jí)倒相級(jí)輸出級(jí)需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

工作狀態(tài)分析工作狀態(tài)分析電壓傳輸特性閾值電壓VTH約為1.4V2.輸入特性以反相器SN7404為例

結(jié)論：TTL輸入端懸空和接邏輯1電平效果相同注意：CMOS電路中若輸入端經(jīng)過(guò)電阻接地，輸入端電位為零3.輸出特性1.反相器接有負(fù)載電路時(shí)，輸出的高低電平隨負(fù)載電流的變化而改變，且變化不大。2.需要驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載電流時(shí)，總是用輸出低電平去驅(qū)動(dòng)。3.4.2TTL與非門、或非門、與或非門和異或門1.與非門2.或非門3.與或非門4.異或門3.4.3三態(tài)輸出和集電極開路輸出的TTL門電路

1.三態(tài)輸出的門電路2.集電極開路輸出的門電路（opencollector）兩個(gè)OC門的輸出端并聯(lián)實(shí)現(xiàn)“線與”，并可將OC門用于信號(hào)到總線的連接。為了獲得輸出的高低電平，需要將OC門的輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)上拉電阻接至電源。結(jié)構(gòu)圖和邏輯符號(hào)1.直流電氣特性和參數(shù)(1)輸入高電平VIH和輸入低電平VIL在74系列中，電源電壓+5V，VIH(min)為2V，VIH(max)為0.8V。(2)輸出高電平VOH和輸出低電平VOL在74系列中，VOH(min)為2.4V（當(dāng)負(fù)載電流為－0.4mA），

VOL(max)為0.4V（當(dāng)負(fù)載電流為16mA）。3.4.4TTL門電路的電氣特性和參數(shù)(3)噪聲容限VNH和VNL

VNH＝VOH(min)－VIH(min)＝0.4V

VNL＝VIL(max)－VOL(max)＝0.4V(4)高電平輸出電流IOH和低電平輸出電流IOL

IOH(max)<<IOL(max)在74系列中，IOL(max)＝16mA，IOH(max)＝－0.4mA。(5)高電平輸入電流IIH和低電平輸入電流IIL

IIH(max)<<IIL(max)在74系列中，IIH(max)＝0.04mA，IIL(max)＝－1.6mA。(6)輸出高電平時(shí)的電源電流ICCH和輸出低電平時(shí)的電源電流ICCL

2.開關(guān)電氣特性和參數(shù)(