【正文】 入微量的三價(jià)元素（如硼或銦），導(dǎo)電以 空穴 為主 ? N（ Negtive）型半導(dǎo)體 ——在純凈的硅或鍺晶體中摻入微量五價(jià)元素（如磷或砷），導(dǎo)電以 自由電子 為主 ? 在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電。 ? 半導(dǎo)體中占多數(shù)的載流子稱為 多子 ；占少數(shù)的載流子稱為 少子 。 17 雜質(zhì)半導(dǎo)體 — P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖 少數(shù)載流子 負(fù)離子 多數(shù)載流子 在 P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子 ，自由電子是少數(shù)載流子。 漂移運(yùn)動(dòng) ? 載流子在電場(chǎng)中的定向運(yùn)動(dòng)稱為 漂移 ，由漂移形成的電流稱為 漂移電流 。 半導(dǎo)體中的電流為漂移電流和擴(kuò)散電流之和。 20 （ 2） PN結(jié)的正向偏置與反向偏置 ?在 PN結(jié)兩端施以外電壓，稱為給 PN結(jié)以 偏置 。 PN結(jié)最重要的特性：在正偏置和反偏置時(shí)表現(xiàn)出完全不同的電流屬性。 ?如需 PN結(jié)產(chǎn)生宏觀電流，必須設(shè)法破壞其擴(kuò)散與漂移間的平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過(guò)內(nèi)電場(chǎng)作用下的少子的漂移運(yùn)動(dòng)，在 PN結(jié)內(nèi)形成了以 擴(kuò)散電流 為主的 正向 的宏觀電流 IF；該正向電流較大， PN結(jié)處于 導(dǎo)通 狀態(tài)； 2. PN結(jié) 反向偏置 時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向 一致 ，使空間電荷區(qū)變寬 ，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受阻，少子的漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在 PN結(jié)內(nèi)形成了以 漂移電流 為主的 反向 電流 IR 。 P N E 多子擴(kuò)散方向 正向偏置 IF 外電場(chǎng)方向 P N E 少子漂移方向 外電場(chǎng)方向 反向偏置 IR 22 半導(dǎo)體二極管 ? 半導(dǎo)體二極管 （ 晶體二極管 ）是在 PN結(jié)兩側(cè)的中性區(qū)上各引出一個(gè)歐姆接觸的金屬電極構(gòu)成的。 ? 按 材料 劃分為硅管和鍺管。 ?二極管對(duì)正偏置和反偏置具有截然不同的特性。如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管的正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。 UT：溫度的電壓當(dāng)量。 在正向段：當(dāng) uDUT時(shí)， iD=Ise uD /UT 在反向段：當(dāng) | uD | UT時(shí)， iD? –IS 25 半導(dǎo)體三極管 ? 半導(dǎo)體三極管又稱 晶體（三極）管 。 按 結(jié)構(gòu) 劃分 NPN型 按 材料 劃分 硅管 按 功率 劃分 大功率管 按 頻率 劃分 高頻管 按 用途 劃分 放大管 PNP型 鍺管 小功率管 低頻管 開關(guān)管 半導(dǎo)體三極管的分類 常用三極管的外形圖 26 N N P NPN型三極管 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極 C 基極 B 發(fā)射極 E 符號(hào) E C B T ?結(jié)構(gòu) ? 有 3個(gè)電極， 3個(gè)區(qū)，兩個(gè)背向的 PN結(jié) 發(fā)射極箭頭的方向表示發(fā)射結(jié)正偏時(shí)的電流方向 Ic Ib Ie 27 PNP型三極管 集電區(qū) 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電極 C 發(fā)射極 E 基極 B N N P P N C B E T ?結(jié)構(gòu) ? 符號(hào) E C B T Ic Ib Ie 28 三極管的 3種接法 （ 1） 共發(fā)射極接法 （ 2）共集電極接法 （ 3）共基極接法 ui uo ui uo ui uo ? 不同的接法具有不同的電路特性，但管子的工作原理都是相同的。 29 三極管的電流放大（控制）作用 ? 電流放大的概念 ?以 NPN管共發(fā)射極接法為例。 結(jié)論 （ 1） IC、 IE比 IB大得多。 BC II ?? ?30 三極管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng) 1 發(fā)射區(qū)向基區(qū) 注入 電子 IE IB 2 電子在基區(qū) 擴(kuò)散 與復(fù)合 3 集電區(qū) 收集 電子 電子流向電源正極形成 IC IC N P N 電源負(fù)極向發(fā)射 區(qū)補(bǔ)充電子形成 發(fā)射極電流 IE VBB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成 IB VCC RC VBB RB ICBO 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) 集電結(jié)反偏，少子的漂移運(yùn)動(dòng)得到加速，形成反向飽和電流 31 三極管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)（續(xù)） ? 晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)可概括為：注入 擴(kuò)散 收集。由于發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，所以基區(qū)的空穴流與發(fā)射區(qū)的電子流相比可忽略不計(jì)， 形成的擴(kuò)散電流以發(fā)射區(qū)的電子流為主 。由于基區(qū)很薄，電子復(fù)合的機(jī)會(huì)不多，僅很少一部分被復(fù)合， 絕大多數(shù)電子擴(kuò)散到集電結(jié)的邊緣 。 由于集電結(jié)反偏，基區(qū)的電子及集電區(qū)的空穴的漂移運(yùn)動(dòng)得到加速，形成反向飽和電流 ICBO。 ? NPN型 三極管應(yīng)滿足 : UBE 0 UBC 0 即 VC VB VE ? PNP型 三極管應(yīng)滿足 : UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE E C B T E C B T 33 晶體二極管和三極管的開關(guān)特性 晶體二極管的開關(guān)特性 晶體三極管的開關(guān)特性 內(nèi)容概要 34 晶體二極管的開關(guān)特性 ?一個(gè) PN結(jié)就是一只晶體二極管，記作 D。 ? 靜態(tài) 特性（穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性）：器件穩(wěn)定在導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)下的特性； ? 動(dòng)態(tài) 特性（瞬態(tài)開關(guān)特性）：器件在狀態(tài)發(fā)生變化（如導(dǎo)通到截止或截止到導(dǎo)通）過(guò)程中的特性。 36 二極管的穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性（ 2/3） R D UD ID + + Vi D反偏 時(shí)： D截止， RD=∞ ， UD=Vi ，ID=0——相當(dāng)于開關(guān)斷開 （ 3）實(shí)際二極管的開關(guān)特性（伏安特性） ID/mA UD/V 0 特性： ① UD?0（反偏和零偏）時(shí) D截止 ，有一個(gè)小的反向飽和電流 IS； ② UD0時(shí)， ID以指數(shù)規(guī)律上升，但 UDVD時(shí)， ID很小， D仍截止； UD?VD（ 鉗位電壓 ）時(shí)D導(dǎo)通 ， D導(dǎo)通時(shí) UD=VD，不變 ——鉗位特性 ； VD(鍺 )=～ 。 ? 這里 的 鉗位電壓 。 ? 晶體管共發(fā)射極電路 放大能力強(qiáng)，也即控制能力強(qiáng)，只要在輸入端加上兩種不同幅值的信號(hào)，就可以控制晶體管的導(dǎo)通 或 截止 。 ? 作為開關(guān)電路，晶體三極管主要工作在 截止區(qū) 和 飽和區(qū) 。 39 晶體三極管的穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性（ 1/4） ? 三極管開關(guān)條件：當(dāng) Vi為低電平時(shí)， T截止 ，開關(guān)斷開，輸出為高電平；當(dāng) Vi為高電平時(shí)， T飽和導(dǎo)通 ，開關(guān)閉合，輸出為低電平。 ? IC = ? IB， VO=VCCIC RC （ 1） 截止區(qū) ——條件： VBE??0， VBC0 ? 當(dāng) Vi為低電平（負(fù)電壓）時(shí)， VBE??0， 發(fā)射結(jié)反偏 ； 接在 VCC 上的集電極，使 VCE 0， VBC=VBEVCE0， 集電結(jié)反偏 ，故 T截止 。若 IB 繼續(xù) ↑， VBC0 ， 集電結(jié)變?yōu)檎?，盡管 IB 增加，但 IC 基本不變， T進(jìn)入飽和區(qū) 。A 20181。A 60 181。A 飽和區(qū) :不同的 IB所對(duì)應(yīng)的 IC幾乎一樣， IC不受 IB的控制 。 放大區(qū) : IC基本與 VCE無(wú)關(guān)，僅受 IB的控制，管子處于放大工作狀態(tài)。 ? 分立元件門體積大、功耗高、可靠性差，現(xiàn)在很少使用。 R Y VCC +5V A B D1 D2 amp。 48 二極管與門的功能描述 （ 1）功能表 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 A(V) B(V) Y(V) （ 2）真值表 在功能表中，用 0代表低電平（輸入 ，輸出 ），用 1代表高電平（輸入 ，輸出 ），則可以得到真值表 （ 4）工作波形（時(shí)序圖） A B Y ?時(shí)序圖還體現(xiàn)了“門”的概念！ ? 若 A為輸入信號(hào)， B為控制信號(hào)，當(dāng) B為低電平時(shí)，無(wú)輸出信號(hào)，門是“關(guān)閉”的； ? 當(dāng) B為高電平時(shí)，輸出信號(hào) Y同輸入信號(hào)，門是“打開”的。 ? 當(dāng) A為 、 B為 ， D2優(yōu)先導(dǎo)通 ，則輸出 Y== ；由于 A只有 ，則 D1被 反偏截止 。 50 二極管或門的功能描述 （ 1）功能表 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 A(V) B(V) Y(V) （ 2）真值表 （ 3）表達(dá)式 Y=A+B 功能描述 （ 4）工作波形（時(shí)序圖） A B Y 51 三極管非門（反相器） （ 1）功能表 A Y 0 1 1 0 A(V) Y(V) （ 2）真值表 電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào) 工作原理與功能描述 （ 3）表達(dá)式 Y=A （ 4）工作波形（時(shí)序圖） A Y Vi VO R1 RC B C E T VCC +12V R2 VBB A Y VCL3V DCL 鉗位電路 ? 當(dāng) Vi=， T截止， DCL導(dǎo)通，輸出 VO ≈ （忽略 DCL 上的電壓降時(shí)）； ? 當(dāng) Vi=3V時(shí)， T飽和導(dǎo)通， DCL截止，輸出 VO=VCES=。 1 A Y 飽和導(dǎo)通 截止 52 復(fù)合邏輯門（與非門、或非門） ? 與非門由二極管與門和三極管非門復(fù)合而成。 A B Y ? 當(dāng) A、 B均為 高 電平（ ）時(shí)， DD2均導(dǎo)通，二極管與門的輸出為高電平（ ） ，經(jīng)三極管非門反相后，輸出為 低 電平（ ） ； ? 其他輸入組合條件下，二極管與門的輸出為低電平（ ），則輸出 VO為高電平（ ） 。 A B F 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 ① 真值表 ② 表達(dá)式 F=A+B 或非門 ③ 工作波形（時(shí)序圖） A B F ?1 A B Y ? 只要 A或 B有一個(gè) 高 電平 （ ） ， 二極管或門的輸出就為高電平，經(jīng)三極管非門反相后，輸出為 低 電平； ? 只有全部輸入為 低 電平 （ ） ， D D2均導(dǎo)通，二極管或門的輸出才 為低電平 （ ）， T截止，輸出 VO為高電平（ ） 。 ? 在分析數(shù)字電路時(shí)，必須事先規(guī)定是采用正邏輯還是負(fù)邏輯關(guān)系！ ?正邏輯和負(fù)邏輯 ——表示邏輯電路的輸入、輸出電壓的高電平和低電平的 2種不同形式。 ?CMOS集成電路的標(biāo)準(zhǔn)直流電源電壓在 3~18V之間， 74系列CMOS集成電路有 5V和 。 ?通常 VCCINT小于 VCCIO，有利于降低功耗。 57 輸入 /輸出邏輯電平 ? TTL或 CMOS集成電路，其輸出高電平并不是理想的工作電源電壓 5V或 ；輸出低電平也不是理想的 0V電壓。標(biāo)準(zhǔn) TTL電路有： ? 定義為邏輯 0的低電平輸入電壓范圍 VIL： 0~； ? 定義為邏輯 1的高電平輸入電壓范圍 VIH： 2~5V； ? 定義為邏輯 0的低電平輸出電壓范圍 VOL：不大于 ； ? 定義為邏輯 1的高電平輸出電壓范圍 VOH：不小于 。 ? 由于制造工藝上的離散性，同一型號(hào)的器件，輸出電平也不可能完全一樣。傳輸延遲越短，工作速度就越快，工作頻率越高。 ? 由于實(shí)際的信號(hào)波形有上升沿和下降沿之分，所以傳輸延遲時(shí)間 tpd是兩種變化情況反映的結(jié)果 ? 定義 tphl為輸出從 高 電平轉(zhuǎn)換到 低 電平時(shí)，輸入脈沖指定參考點(diǎn)與輸出脈沖指定參考點(diǎn)之間的時(shí)間； ? 定義 tplh為輸出從低電平轉(zhuǎn)換到高電平時(shí)，輸入脈沖指定參考點(diǎn)與輸出脈沖指定參考點(diǎn)之間的時(shí)間； ? 參考點(diǎn)選在輸入脈沖和輸出脈沖相應(yīng)邊沿的 50%處。 ? 扇入系數(shù) ——一個(gè)門電路所能允許的輸入端個(gè)數(shù) ? 扇出系數(shù) ——一個(gè)門電路所能驅(qū)動(dòng)的同類門電路的個(gè)數(shù) ? 扇出系數(shù)越大，門電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng) 標(biāo)準(zhǔn)系列 TTL門電路的扇出系數(shù)一般為 10；其他系列如 74LS系列，一般為 20； CMOS門電路的扇出系數(shù)一般為 50。 amp。 amp。 PD=VCC? ICC ? 門電路在輸出高電平和輸出低電平時(shí)通過(guò)電源的電流（ ICCH和ICCL）是不同的，兩種情況下的功耗也不一樣 ? 一般求其平均值 ? 一般地， CMOS門電路的功耗較低，且與工作頻率有關(guān)，頻率越高功耗越大。 ? TTL門電路的功耗較高，且基本與工作頻率無(wú)關(guān)。 ICCH VCC PD = 2 +ICCL ( ) 62 TTL集成門 TTL集成與非門 TTL與非門的電氣特性 TTL與非門的主要參數(shù) TTL其他類型