1、数字电子电路 唐竞新 二零零三年 绪 论一、研究对象及应用领域二、器件发展概况三、模拟、数字电子电路的异同四、课程要求五、本学期教学进度六、参考书籍一、研究对象及应用领域 研究对象：器件、电路及系统 应用领域：通讯 Communication 控制 Control 计算机 Computer 文化生活 Cultural life二、器件及发展概况 Diode 1904(1911)Transistor 1948(1951)SSI (Small Scale Integration)1960 MSI (Medium Scale Integration)1966 LSI (Large Scale Int
2、egration)1969 VLSI (Very Large Scale Integration)1975 1976年 Single Chip Computer问世 MCS-48系列（1976年）MCS-51系列（1980年）96系列（1983年）12万元器件/片 三、模拟及数字电子电路的异同点 模 拟 电 路 数 字 电 路 研究内容信号怎样放大及倍数各变量之间的逻辑关系 信号表示连续变化量离散量 基本单元单管放大电路 逻辑门 三极管状态放大状态饱和及截止状态 使用工具电路定理及三极管模型逻辑代数四、课程的要求 理论课与实践课并重 课内与课外的结合，学时比 1:2五、本学期的教学进度章节内容
3、学时数绪论1 半导体器件基础7 逻辑代数及逻辑函数6 门电路8 组合逻辑电路6 触发器4 时序逻辑电路8 脉冲、定时电路6 A/D、D/A转换电路6 存储器和PLD2 讲课学时：50学时 期中考试：2学时 总 计：56学时六、参考书籍 数字电子电路 清华大学 唐竞新 清华出版社 数字电子技术基础（数字部分）清华大学 阎 石主编 高教出版社 电子技术基础 华中理工 康华光 高教出版社 数字电子技术解题指南 清华大学 唐竞新 清华出版社半导体器件基础1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 稳压管1.4 半导体三极管半导体器件基础重点内容：PN结原理 二极管特性（伏安特性）三极管特性1.1
4、 半导体基础知识一、本征半导体 典型材料 硅 Si 锗Ge 序数 14 32 核外电子层排列 2.8.4 2.8.18.4 最外层电子数 4 41.原子模型:内层原子核和外层电子组成 Si Ge 电子分层排列、占据不同的能级 电子获足够能量跃迁，由内层向外层 （能量低）（能量高）原子形成晶体时，能级分裂成能带2+142 8 4+322 8 18 42、晶体结构 原子形成晶体时，以共价键的形式出现。以硅晶体为例 最外层4个电子和 相邻的其他4个原子 的最外层各一个电子 形成共价键结构。SiSiSiSiSiSiSiSiSi 共价键上的电子获取足够的能量能脱离轨道的束缚，成为自由电子，而在其原有的位
5、置处留下“空穴”。电子、空穴成对出现。在室温条件下，能跃迁的电子数量很少。3、能带图 能带由大量的能级构成，相邻的能级能量差极小可近似 看作连续的。能带与能带之间存在禁带，禁带宽度用 表示。价带导带GEeVGEieGSGGEE 禁带宽度 硅 锗 1.21eV 0.785eV 0 1.1eV 0.71eV 300GEiSeGKK4、载流子数量 纯净半导体 0 时，价带中充满电子（满带）导带中无电子 （空带）本 征电 场 中激 发定 向 运 动导 带 中 电 子导 电 粒 子温 度价 带 中 空 穴载 流 子或 光 照K 本征半导体中载流子的数量（浓度：载流子数/单位体积）K:波尔茲曼常数 3/2
6、2GEKTinATe58.63 10eVknGETii大，n 小温 度，多n本 征 半 导 体 中 =p0.785323:3.10 10KTGe n pTe1.21323:15 10KTSi n pTe300(k 室温条件下）103133:1.5 10/:2.5 10/Si npcmGe npcm5、本征半导体特点 本征半导体中有两种不同的导电机构（电子、空穴）电子、空穴成对出现，温度升高 本征半导体导电性能很差。300 K时，其导电性比铜差 倍 提高其导电性能的途径掺杂。,nppn1110二、掺杂半导体 五价元素：砷(As),锑(Sb),磷(P)N型（施主型）三价元素：镓(Ga),硼(B),
7、铝(Al)P型（受主型）1.晶体结构图 N型 P型SiSiAsSiSi自由电子SiSiGaSiSi空穴2.能带图 eVeV价带导带价带导带iEiEGEGE1.10.044GiE evE ev1.10.045GiE evE ev300K 施 主 能 级 受主能级 五价元素掺入，将在导带的底部下方0.044ev 能级处产生一施主能级 三价元素掺入，将在价带的顶部上方0.045ev能级处产生一受主能级 室温下，一个受主能级或一个施主能级获取极少能量就能在导带附近产生一自由电子，或在价带中产生一空穴3.多数载流子、少数载流子 对N型半导体而言，多数载流子为电子，简称多子；少数载流子为空穴，简称少子 对
8、P型半导体而言，多数载流子为空穴；少数载流子为电子 半导体多子，少子的表示N型NnNpP型pppn 多子，少子的数量 随着掺杂的增加，多子和少子的数量差异加大，通常多子远大于少子，但是两者的乘积满足 P型 N型 和 为本征半导体中空穴和电子的数量ppiipnpnNNiipnpnipin4、掺杂半导体的特点 含有多数载流子和少数载流子两种导电粒子 多子和少子的乘积在温度一定时为常数，且和本征半导体中电子和空穴的乘积相等 掺杂半导体，不管是P型还是N型，均呈电中性 掺杂提高了半导体的导电性能三、PN结原理 扩散，漂移运动 空间电荷层 正向偏置下空间电荷层 反向偏置下空间电荷层 电容效应1、扩散、漂
9、移运动 由载流子浓度差异引起的运动称扩散 由电场作用引起的载流子运动称漂移 以PN结为例 侧空穴向N侧扩散 N侧电子向 侧扩散 PPE内-+-+p0Np0Nn0pnDWNE内0ppPPPNPP NNPN 随扩散继续的空穴向 运动侧留下负粒子区在界面处形成的电子向运动侧留下正粒子区P2、空间电荷层 空间电荷层特点：是一个高阻抗的离子层。中 侧带负电，N侧带正电，正、负电总量相等，故 量呈电中性。对 结来说，,因此 主要展 向N区一侧 中内建场的方向由N指向 DWDWDWP NDWNppn远大于PDWP3、正向偏置的空间电荷层 ，为平衡条件下多子，少子的数量 x+-0Np0Nn0pn0ppDWpN
10、E内E外0pp0pn0Nn0Np 多子渡越进入界面另一侧后，随距离增加，逐渐下降，可近似为指数函数衰减规律。正偏压作用下，削弱 多子渡越，非平衡载流子 堆积。相当于变薄，扩散漂移 产生正向电流 ，且 结论：正向偏置条件下，PN结导通。p,n,xd pd ned xd xE外E内p,nd pd nEd xd x外，（）DWFI,FdpdnIdxdx4.反向偏置的空间电荷层 反向偏置条件下：增强了 多子渡越更加困难。和平衡条件下相比，漂移扩散 相当于加宽 少子更易被拉向另一侧，形成反向电流 。结论：反向偏置条件下，PN结阻断。E外E内DW+-0Np0Nn0pn0ppDWpNE内E外0SSII极小，
11、SI5、电容效应 扩散电容 ：多子渡越，非平衡载流子 引起的。位垒电容 ：空间电荷层内离子层变化 引起的。结电容 ：PN结由反向变为正向时 PN结由正向变为反向时 dCbCjCjdbCCCbC dC dC bC 1.2 半导体二极管一、二极管种类、结构及符号 种类(生产工艺）PN结外壳引线 符号K(阴极）A(阳极）N-Si P-Si面接触型 f FI 中小 低 整流点接触型 f FI 小 高 检波平面型 f F I 下 中高 大功率开关管AK二、二极管伏安特性 两线：正向曲线，指数型 反向曲线，直线型 两点：死区电压 击穿电压 静态电阻 动态电阻VI SVI 不变0VBVdVRIdVrIddR
12、rI(mA)V(V)OVVIBVSI K 波尔茲曼常数 参量 （漏电流）A结面积，为N区、P区中的少子空穴、电子，为空穴、电子扩散的系数。和少子浓度、扩散系数、结面积等因素有关。三、二极管电流方程(1)qVKTSIIe058.63 10KeV0.02626TKTVVmVq0300TKSISI()pNnPSPnqAD pqAD nILLNpPnpDnD 正偏电压下 反偏电压下 动态电阻推导qVK TSII eSII ddVrdI(1)TVqVVSKTSTTIdIdIIeedVdVVVTKTVq030026TdTKVmVrII四、二极管开关特性 正向突然变为反向电压，反向恢复时间 开关管2CK15
13、 存在将影响二极管的使用频率 retFIRVretreRtIVF与、工艺有关FIretRV;retret快速管掺金工艺使ret25retns 最大平均整流电流，由结面积和散热条件决定。最大反向电压 反向电流。越小，单向导电性越好，受温度影响较大。工作频率，主要取决于五、主要参数maxfRIRIRIRVFI12RBVVjC1.3 稳压管 一、原理、特性及符号 在二极管特性曲线的反向击穿区域 流过管子的电流 变化很大 两端电压 几乎不变 很小，有稳定电压作用 符号 阴极 阳极 I(mA)V(v)BVVIBVVIVVIZD1、有雪崩击穿和齐纳击穿两种 雪崩击穿：载流子在电场中高速运动，撞击晶体中的外
14、层电子使其脱离束缚，成为自由电子，通常在空间电荷层较厚，撞击和连锁反应的机会较多的情况下出现。雪崩击穿时的稳压值 较高，一般二、击穿方式ZV7ZVV 齐纳击穿:在强电场直接作用下使共价键断裂而产生大量的电子、空穴对的方式，通常空间电荷层较薄（PN结两侧掺杂浓度大）的情况下出现，稳压值 相对较低，一般 ZV4ZVV2、击穿方式和温度系数 雪崩击穿为主的稳压管，通常为正温度系数，温度升高，稳压值上升，温度系数用 表示,原因分析：温度升高，晶格中原子振动幅度加大，热运动加剧，影响了电子在电场中的速度，通过提高反偏压来加大电场强度。0 齐纳击穿为主的稳压管，为负温度系数，温度提高，稳压值下降，即 原因
15、分析:温度升高，晶体的禁带宽度 变小，较小的电场强度就可以使共价键断裂，产生电子空穴对。通常0GE7040470ZZZVVVVVV时，时，时，三、主要参数 稳定电压 稳定电流 额定功耗 温度系数 动态电阻 越小稳压效果越好ZVZIZMPzrzVrIminZImaxZImaxZMZzPVI四、应用举例 IVZIRLILROVRIZmin6,240mW,I6,12,500ZMILV PmAVVRRZ 已知稳压管V输入电压负载。求限流电阻 取值范围6,mAZmin解：Imax240406ZMzZPImAVminmin66180.5LRZRIIImA.maxmax40 1252LRZRIIImAR+-
16、minmax61150.052RRVRImaxmin63330.018RRVRIR限流电阻 范围：115333R()()一、晶体管结构、分类、符号 结构 分类 符号 NPN PNPECECBBBCECEBB 基 极C 集 电 极E 发 射 极NPNPNP1.4 半导体三极管 三层，三个电极，两个PN结 发射区高掺杂，载流子浓度大，发射多子 基区掺杂低于发射区，基区薄，仅为 量级 集电区低掺杂，以收集发射区来的大量载流子m二、晶体管的放大作用 发射结E正偏、收集结C反偏是三极管 放大的必要条件。1、电路连接 BE间正偏电压 CB间反偏电压 基极回路、集电极 回路以发射极E为公 共地端，称为共射接
17、 法。mAmAuA-+-+BECEBRCRECBCIBIEICEBE2、实验现象 0BCEIII、均大于CEBIIIEBCIII且BBRI11BCII22BCII2121CCCBBBIIIIII1212CCBBIIII3、放大分析ECBC反E正CIEIBI 区正偏发射多子电子 进入基区B，形成发射极电流 极少部分电子和基区中多子 复合，形成基极电流 。未复合大部分渡越基区达C结，被扫入集电区N内，形成 电流。NNnEICIBIPp4、几点说明 电流方向说明电流方向说明 ,发射电子。负电源提供电子流，其方向向上，相当空穴流方向向 下。,基极提供基区中被复合掉的空穴。方向流入基极。,集电区收集到电
18、子流，集电极向内 发射空穴以维持电中性，方向为 流入方向。EINBIBICICI电流大小说明电流大小说明 基区B很薄，区发射来的电子仅有极少量的和 复合，因此形成的 很小。和 近似相等，发射区中发射出的电子除在基区中被复合掉极少量外，其余全部进入集电区，故两者近似相等NBICIEIPp电流总量说明电流总量说明 对于NPN管来说，故讨论中忽略了P区中的空穴向 区注入的情况，实际中电流总量应为两种载流子运动的总和。pNnpNII总电子空穴I三、三极管的输入、输出特性 研究电流、电压的关系1、输入特性 共射电路（CE）BEBR死 区()uABI()BEVVBEV1BI2BI1CEV2CEV0CEVV
19、1CEVV1CEVV()|CEBBEVCIf VmAV+-时，曲线类似二极管正向特性曲线 一簇指数函数曲线（不同的 值对应）随 升高，曲线向右向移动 原因分析：作一垂线，在同一 值时，随 ，图中 基区调宽效应含义：CEBVCIB结反偏加深，空间电荷层加宽 基区有效宽度W 复合机会减小变小2121CECEBBVVII，BEVCEVBI 0CEVVCEVCEV2、输出特性 ()|BCCEICIf VVmA+-CRCEVBICICE100 ACMP()CImA()CEVVCEOBVCESVCEOI饱和区截止区放大区0BIA20 A40 A60 A80 A1mA5mA2mA3mA4mA 时，曲线平行横
20、坐标轴，类同二极管反向特性曲线 不同的 值，对应一簇形状相似的曲线 曲线随 增大，曲线略向上翘（为常数）原因分析：用基区调宽效应解释0BI BICEVBICECdnVIdx B基区有效宽度W三个区域说明截止区放大区 饱和区0BI CCEOIICEOI穿透电流CECESVVCBIIBICEC为常数时，V 变，I 几乎不变，近似恒流CBII不随 成 倍增加，放大作用减弱四、三极管状态判定方法 PN结偏置 （理论）管压降 测定 （试验）电流 关系 （计算）CEVBBSII工作状态 放大 饱和 截止PN结偏置E正偏,C反偏 E,C正偏 E,C反偏电流关系()CEVVCESCECCVVVCECESVVC
21、ECCVV0,0BCIIBBSIICBII ：三极管临界饱和时，基极注入电流值，其值随输出回路参数不同而异BSI工作状态 放大 饱和 截止PN结偏置E正偏,C反偏 E,C正偏 E,C反偏电流关系()CEVVCESCECCVVVCECESVVCECCVV0,0BCIIBBSIICBIIt100m10mCSBIAIA:10ns 90ns 80ns:180ns 280ns 100nsondroffsftttttt 导通延迟开通 上升存储关断 下降rtstdtftontofft五、三极管开关特性38DK BtttIVCiOv 通常三极管脱离饱和的时间和开通的时间相比要长很多，而研究三极管开关过程时，如
22、何抑制三极管不至于进入深饱和是一个很重要的内容。六、主要参数 共射接法电流放大系数 （B极开路）穿透电流 集电极允许的最大电流 集射极间反向击穿电压（B极开路）集电极允许的最大功耗 由管子的温升及散热条件决定 CMCECPVICMPCEOBVCMICEOICCEBIIII七、计算举例 例1.判断T的工作状态 IHVIVOVTBRCR1K12KBIILV600V3.0V0.7BEVV3IHVV0ILVV0IVV时 T截止3.0IVV3.00.70.19212BImA90.15601BSImABBSII T饱和(9)CCVV?0.7VICESV时,T临界饱和？设V0.790.712160IV2.36IVV例2 判断T工作状态的方法 C CB EBBVVIRCCBSCVIRCCBEVV时BCRRT饱和BRBICRCIOV(9)CCVV例3 计算电路的静态工作点BRBICRCIEREICCVOV(1)CCBEBBEVVIRR(CBII放大条件下）()CECCCCEVVIRR 例4 从波形看三极管的放大作用 直流量 交流量有效值 直交总量 交流瞬时值bIBIbiBiSRSUBRBiCRCiEiOU1C2CLRCCV_电压、电流波形图（单管CE放大电路)iuBiBIBICiCICICEu0uCEVCEVttttt
