数字集成逻辑电路基础.教案资料.ppt

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1、数字集成逻辑电路基础.2吋-8吋晶圆小规模集成电路（SSI，20个门以下）中规模集成电路（MSI，几十-100个门）大规模集成电路（LSI，几百-1000个门）超大规模集成电路（VLSI，1000个门以上）芯片系统（SOC，包括数字和模拟电路）AppleA7包含超过10亿个晶体管，晶粒大小为102mm²数字集成逻辑电路按工艺可分为：双极型集成电路——空穴和自由电子都参与导电TTLECL（EmitterCoupledLogic）HTL（HighThresholdLogic）I2L（IntegratedInjectLog

2、ic）单极型集成电路——只有一种载流子导电MOS3.1晶体管的开关特性在一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质（三价元素）是P型半导体，另一部分掺有施主杂质（五价元素）是N型半导体时，P型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。在杂质半导体中，正负电荷数是相等的，它们的作用相互抵消，因此保持电中性。3.1.1PN结+4+4+4+4+4+4+4+4

3、+4B+4+4+4+4+4+4+4+4B------------------------------------半导体中产生了大量的空穴和负离子+4+4+4+4+4+4+4+4+4P+4+4+4+4+4+4+4+4P++++++++++++++++++++++++++++++++++++半导体中产生了大量的自由电子和正离子P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差，N型区内的电子多、空穴少，P型区内的空穴多而电子少，这样电子和空穴会从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此，有些电子从N型区向

4、P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散过程中要产生复合，结果使P区和N区中原来的电中性被破坏。P区失去空穴留下带负电的离子，N区失去电子留下带正电的离子。这些离子因物质结构的关系，不能移动，因此称为空间电荷，它们集中在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区（耗尽层），这就是所谓的PN结在空间电荷区，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区中形成一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内电场内电场是由多子的

5、扩散运动引起的，伴随着它的建立，将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦接近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结处于动态平衡。外加正向电压（正偏），也就是电源正极接P区，负极接N区，外电场的方向与内电场方向相反。在外电场作用下，多子将向ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，Ｐ区的多子空穴将源源不断的流向Ｎ区，而Ｎ区的多子自由电子

6、亦不断流向Ｐ区，这两股载流子的流动就形成了PN结的正向电流。此时，有较大的正向扩散电流，即呈现低电阻，称PN结导通。外加反向电压（反偏），也就是电源正极接N区，负极接P区，外电场的方向与内电场方向相同。在外电场作用下，多子将背离ＰＮ结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。因少子浓度很低，反向电流远小于正向电流。当温度一定时，少子浓度一定，反向电流几乎不随外加电压而变化，故称为反向饱和电流。此时，只有很

7、小的反向漂移电流，呈现高电阻，称PN结截止。3.1.2二极管的开关特性双极型二极管的开关特性实际上源于其单向导电性，是对其伏安特性的近似，通过控制二极管两端的电压可以控制流过电流与否，实现开关功能。PN结正向偏置（v>0）且v>>VT时PN结反向偏置（v<0）且

8、v

9、>>VT时二极管的伏安特性可以看出：二极管是一种非线性元件，它的正向特性和反向特性都是非线性的。二极管具有单向导电性能，即PN结正向导通时电阻很少，反向截止时电阻很大。正向导通时，管子的正向压降很少，一般情况下，硅管约为0.7V，锗管约为0.3V左右。硅

10、二极管与锗二极管的主要区别在于：锗管的正向电流比硅管上升得快，正向压降较小。但锗管的反向电流比硅管的反向电流大得多，锗管受温度的影响比较明显。3.1.3双极型晶体管（BJT管）的开关特性三极管的放大作用就是：集电极（C极）电流受基极（B极）电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化