数字电子电路

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Culturallife二、器件及发展概况Diode1904(1911)Transistor1948(1951)SSI(SmallScaleIntegration)1960MSI(MediumScaleIntegration)1966LSI(LargeScaleIntegration)1969VLSI(VeryLargeScaleIntegration)19751976年SingleChipComputer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6A/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半导体基础知识一、本征半导体典型材料硅Si锗Ge序数1432核外电子层排列2.8.42.8.18.4最外层电子数441.原子模型:内层原子核和外层电子组成SiGe•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+14284+32281842、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1.21eV0.785eV01.1eV0.71eV300GEiSeGKK4、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3/22GEKTinATe58.6310eVknGETii大，n小温度，多n本征半导体中=p0.785323:3.1010KTGenpTe1.21323:1510KTSinpTe300(k室温条件下）103133:1.510/:2.510/SinpcmGenpcm5、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。300K时，其导电性比铜差倍•提高其导电性能的途径－－掺杂。,nppn1110二、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),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iEiEGEGE1.10.044GiEevEev1.10.045GiEevEev300K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ppiipnpnNNiipnpnipin4、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PPE内-+----++++++p0Np0Nn0pnDWNE内0pp•右侧带正电，左侧带负电，空间层层内有一个右指向左的内建电场•内建场方向由N指向，其作用将阻碍多数载流子的渡越，却能将空间电荷层中的少子（区中的电子，N区中的空穴）扫向另一侧。•动态平衡:当由浓度差异引起的扩散运动和由内建场存在引起的漂移运动趋于平衡时，N结界面两侧的载流子的浓度不再发生变化，称为动态平衡。PPPNPPNNPN＋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P2、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DWDWDWPNDWNppn远大于PDWP3、正向偏置的空间电荷层，，，为平衡条件下多子，少子的数量x+-0Np0Nn0pn0ppDWpNE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,xdpdnedxdxE外E内p,ndpdnEdxdx外，（）DWFI,FdpdnIdxdx4.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+-0Np0Nn0pn0ppDWpNE内E外0SSII极小，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dCbCjCjdbCCCbC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-SiP-Si面接触型fFI中小低整流点接触型fFI小高检波平面型fFI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0VBVdVRIdVrIddRrI(mA)V(V)OVVIBVSI•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)qVKTSIIe058.6310KeV0.02626TKTVVmVq0300TKSISI()pNnPSPnqADpqADnILLNpPnpDnD•正偏电压下•反偏电压下•动态电阻推导qVKTSIIeSIIddVrdI[(1)]TVqVVSKTSTTIdIdIIeedVdVVVTKTVq030026TdTKVmVrII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•存在将影响二极管的使用频率retFIRVretreRtIVF与、、工艺有关FIretRV;retret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maxfRIRIRIRVFI12RBVVjC1.3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)BVVIBVVIVVIZD1、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ZV4ZVV2、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0GE7040470ZZZVVVVVV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ZVZIZMPzrzVrIminZImaxZImaxZMZzPVI四、应用举例IVZIRLILROVRIZmin6,240mW,I6,12,500ZMILVPmAVVRRZ已知稳压管V输入电压负载。求限流电阻取值范围6,mAZmin解：Imax240406ZMzZPImAVminmin66180.5LRZRIIImA.maxmax401252LRZRIIImA＋－R+-minmax61150.052RRVRImaxmin63330.018RRVRIR限流电阻范围：115333R()()一、晶体管结构、分类、符号结构分类符号NPNPNPECECBBBCECEBB基极C集电极E发射极NPNPNP1.4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，称为共射接法。mAmAuA-++--+BECEBRCRECBCIBIEICEBE2、实验现象0BCEIII、、均大于CEBIIIEBCIII且BBRI11BCII22BCII2121CCCBBBI