数字集成逻辑电路基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,东南大学信息科学与工程学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3,数字集成逻辑电路基础,数字集成逻辑电路工艺可分为：,晶体管集成电路,金属氧化物半导体集成电路（,MOS,工艺）,BiMOS,工艺,砷化镓工艺,磷化铟工艺,本章主要介绍,晶体管,-,晶体管逻辑电路（,TTL,，,Transistor-Transistor Logic,）,CMOS,电路（,Complementary Metal Oxide Semiconductor),3 数字集成逻辑电路基础数字集成逻辑电路工艺可分为：本章主,集成电路是将电路制作在晶圆上，也就是将构成电路的晶体管、电阻、电容、连线等元器件做在一块半导体材料上，构成一个完整的电路。,Jack S Kilby,Texas Instruments,Robert Norton Noyce,Fairchild Semiconductor,集成电路是将电路制作在晶圆上，也就是将构成电路的,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）,Apple A7包含超过10亿个晶体管，晶粒大小为102mm,2吋-8吋晶圆小规模集成电路（SSI，20个门以下）Appl,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,TTL,ECL,（,Emitter Coupled Logic,）,HTL,（,High Threshold Logic,）,I,2,L,（,Integrated Inject Logic,）,单极型集成电路,只有一种载流子导电,MOS,数字集成逻辑电路按工艺可分为：,3.1,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。,3.1.1 PN,结,3.1 晶体管的开关特性 在一块单晶半导体中，一部分,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,B,+4+4+4+4+4+4+4+4+4B,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,B,+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,+4,P,+4+4+4+4+4+4+4+4+4P,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,P,+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,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,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,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。,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,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，区的多子空穴将源源不断的流向区，而区的多子自由电子亦不断流向区，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,。,外加正向电压（正偏），也就是电源正极接P区，负极接N区，外,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（,v0,）且,vV,T,时,PN,结反向偏置（,vV,T,时,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,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。,二极管的伏安特性可以看出：,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，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的,倍，即电流变化被放大了,倍，把,叫做三极管的放大倍数。,三极管是电流放大器件,3.1.3 双极型晶体管（BJT管）的开关特性 三极,放大状态,时,BE,结正偏,，,BC,结反偏；,截止状态,时,BE,结不导通,，,BC,结随便偏置；,饱和状态,时,BE,结正偏，,BC,结趋向,0,偏或正偏；,三极管的三种工作状态,当输入为低电平，即,V,IN,=V,IL,=0V,时，基极与发射极之间零偏，与集电极之间反偏，此时,BJT,管自集电极向下看几乎没有电流，相当于开关断开，三极管截止。因此,i,C,0,，,v,OUT,=V,CC,-i,C,R,C,V,CC,，输出为高电平。,当输入为高电平，即,v,IN,=V,IH,=5V,时，则基极与发射极正偏，从而,v,OUT,=0V,放大状态时BE结正偏，BC结反偏；三极管的三种工作状态当输入,BJT,的开关时间包括开通时间和关断时间，是由于三极管在饱和态与截止态之间切换所致。,显而易见，开关时间限制了,BJT,开关的速度。,BJT,开关应用的场合速度越高，就要求开关时间越短。,要缩短,BJT,的开关时间，可以减小基区宽度，缩短载流子渡越时间；也可以减小发射结、集电结面积，从而减小极间寄生电容，提高速度；,另外，适当选择基极正、反偏电流以及临界饱和电流，也可利于,BJT,状态的切换，改善动态特性，提高速度。,BJT的开关时间包括开通时间和关断时间，是由于三极管在饱和,3.1.4,场效应管（,MOS,管）的开关特性,场效应晶体管（,Field Effect Transistor,，,FET,）简称场效应管，由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管,具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,输入电阻很大；温度稳定性较好；组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数,场效应管分为结型场效应管（,JFET,）和绝缘栅场效应管（,MOS,管）两大类,按沟道材料型和绝缘栅型各分,N,沟道和,P,沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型；而,MOS,场效应晶体管又分为,N,沟耗尽型和增强型；,P,沟耗尽型和增强型四大类。,3.1.4 场效应管（MOS管）的开关特性场效应晶体管（Fi,工作原理：,N,沟道：当,U,GS,大于导通电压时，,D-S,极导通,P,沟道：当,U,GS,小于导通电压,0,时，,D-S,极导通,S(Source),：源极,G(Gate),：栅极,D(Drain),：漏极,B(Substrate):,衬底,工作原理：S(Source)：源极,当在,NMOS,的栅上施加相对于源的正电压,V,GS,时,当,V,GS,比较小时，栅上的正电荷还不能使硅,-,二氧化硅界面处积累可运动的电子电荷，这是因为衬底是,P,型的半导体材料，其中的多数载流子是正电荷空穴，栅上的正电荷首先是驱赶表面的空穴，使表面正电荷耗尽，形成带固定负电荷的耗尽层,当,V,GS,电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被,P,型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流,I,D,当,V,GS,增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的,N,区沟通形成,N,沟道，这个临界电压称为开启电压,(,或称阈值电压、门限电压,),，用符号,V,T,表示,(,一般规定在,I,D,10uA,时的,V,GS,作为,V,T,),当,V,GS,继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，,I,D,也随之增加，并且呈较好线性关系,当在NMOS的栅上施加相对于源的正电压VGS时当VGS增加到,简单来说就是：栅极加正电压（,V,GS,V,T,），形成纵向电场，吸引电子、排斥空穴，在栅氧化层下形成电子导电沟道，将源极和漏极连起来；漏极加正电压,(V,DS,0),，形成横向电场，电子逆着电场方向漂移到漏极，形成漏极到源极的电流。,简单来说就是：栅极加正电压（VGSVT），形成纵向电场，吸,MOS,管的开关特性,当,V,i,=V,iL,时，,V,GS,=V,iL,V,T,，,MOS,管处于导通状态，合理选择,V,DD,和,R,D,，使,I,D,足够大，输出,V,o,=V,OL,=V,DD,-I,D,R,D,为得到足够低的,V,OL,，要求,R,D,很大，在实际电路中，常用另一个,MOS,管来做负载,，,相当于开关接通状态,MOS管的开关特性当Vi=ViL时，VGS=ViLVT，M,MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身