概 述 一、门电路的概念 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路 与 非 门 或 非 门 异或门 与或非门 与 非 与 与 门 或 门

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1 概 述 一、门电路的概念 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路 与 非 门 或 非 门 异或门 与或非门 与 非 与 与 门 或 门
概 述 一、门电路的概念 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路 与 非 门 或 非 门 异或门 与或非门 与 非 与 与 门 或 门 非 门 或 非 或 与或非 非 异或

2 二、逻辑变量与两状态开关 二值逻辑: 所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。 数字电路: 通过电子开关 S 的两种状态(开或关) 获得高、低电平，用来表示 1 或 0。 3V 3V 逻辑状态 低电平 断开 高电平 3 V 1 高电平 闭合 低电平 0 V 1 S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现

3 三、高、低电平与正、负逻辑 高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。 0V 5V 2.4V 0.8V 0V 5V 2.4V 0.8V 1 1 正逻辑 负逻辑

4 四、分立元件门电路和集成门电路 ① 分立元件门电路： 用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。 ② 集成门电路： 把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半 导体芯片上，再封装起来。 常用：CMOS 和 TTL 集成门电路

5 五、数字集成电路的集成度 一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数 小规模集成电路 SSI < 10 门/片
(Small Scale Integration) 或 < 100 元器件/片 中规模集成电路 MSI 10 ~ 99 门/片 (Medium Scale Integration) 或 100 ~ 999 元器件/片 大规模集成电路 LSI 100 ~ 门/片 (Large Scale Integration) 或 ~ 元器件/片 超大规模集成电路 VLSI > 门/片 (Very Large Scale Integration) 或 > 元器件/片

6 2. 1 半导体二极管 和三极管 的开关特性 理想开关的开关特性 S A K 一、 静态特性 ① 断开 ② 闭合

7 2. 1 半导体二极管 、三极管 和 MOS 管的开关特性
2. 1 半导体二极管 、三极管 和 MOS 管的开关特性 理想开关的开关特性 二、动态特性 S A K ① 开通时间： 闭合） （断开 ② 关断时间： 断开） （闭合 普通开关：静态特性好，动态特性差 几百万/秒 半导体开关：静态特性较差，动态特性好 几千万/秒

8 2. 1. 2 半导体二极管的开关特性 （1）半导体P－N结
半导体二极管的开关特性 （1）半导体P－N结 【P－N结】：在一块单晶体中存在紧密相邻的P区和N区结构。通常是在一种导电类型（P型或N型）半导体上用合金、扩散、外延生长等方法得到另外一种导电类型（N型或P型）的薄层，在这两种半导体材料的交界处形成P－N结。 N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度。P型半导体中空穴浓度大于电子浓度。

9 2. 1. 2 半导体二极管的开关特性 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ 【施主】容易释放电子的原子。
半导体二极管的开关特性 【施主】容易释放电子的原子。 【受主】容易获取电子的原子。 【扩散】由于浓度差致使带电粒子 从浓度较高的点向浓度较低的点运 动，重新达到均匀分布。 【漂移】在外电场的作用下，电子 向正极方向运动，空穴向负极方向 运动，这种运动称为漂移。 内建电场 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ 耗尽区 受主离子 施主离子

10 2. 1. 2 半导体二极管的开关特性 在结区，刚开始由于载流 子浓度差而发生扩散运动。 【内建电场】：空间电 荷区中形成的电场是由n区
半导体二极管的开关特性 在结区，刚开始由于载流 子浓度差而发生扩散运动。 【内建电场】：空间电 荷区中形成的电场是由n区 指向p区，称为内建电场或 结电场。 内建电场引起漂移，当漂 移和扩散达到动态平衡时建 立相对稳定的节电场。 内建电场 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ 耗尽区 受主离子 施主离子

11 2. 1. 2 半导体二极管的开关特性 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ （2）P－N结的电压电流特性
半导体二极管的开关特性 （2）P－N结的电压电流特性 【正向偏置】在施加外压时，P区接正端，N区接负端。正向偏置时外加电场方向与内建电场方向相反。 平衡被破坏，扩散电流增加，致使P－N附近的少数载流子浓度上升。出现剩余少数载流子的浓度梯度。 这些载流子由P－N结向外扩散，在外电路中形成正向电流。 内建电场 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ 耗尽区 受主离子 施主离子

12 2. 1. 2 半导体二极管的开关特性 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ （2）P－N结的电压电流特性
半导体二极管的开关特性 （2）P－N结的电压电流特性 【反向偏置】在施加外压时，P区接负端，N区接正端。 反向偏置时外加电场方向与内建电场方向相同。 平衡被破坏，多数载流子的扩散受阻，漂移电流占主导地位。 漂移电流由N区指向P区。 内建电场 － －－ －－ －－ － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋ 耗尽区 受主离子 施主离子

13 2. 1. 2 半导体二极管的开关特性 一、静态特性 1. 结构示意图、符号和伏安特性 - A K 阳极 阴极 - +
半导体二极管的开关特性 一、静态特性 1. 结构示意图、符号和伏安特性 正向 导通区 反向 截止区 击穿区 0.5 0.7 /mA /V P区 N区 + - A K 阳极 阴极 PN结 - A K + ① 外加正向电压(正偏) 硅二极管伏安特性 二极管导通(相当于开关闭合) ② 外加反向电压(反偏) 二极管截止(相当于开关断开)

14 uO = 0 V uO = 2.3 V 2. 二极管的开关作用： D [例] 电路如图所示， + 试判别二极管的工作 - 状态及输出电压。
　　试判别二极管的工作 状态及输出电压。 [解] 二极管截止 uO = 0 V 二极管导通 uO = 2.3 V

15 电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成 1. 二极管的电容效应
二、动态特性 电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成 1. 二极管的电容效应 结电容 C j 扩散电容 C D t 2. 二极管的开关时间 ton — 开通时间 toff — 关断时间 ≤ (反向恢复时间)

16 2. 2 分立元器件门电路 2. 2. 1 二极管与门和或门 一、二极管与门 电压关系表 uY uA uB 真值表 uA/V uB/V
分立元器件门电路 二极管与门和或门 一、二极管与门 电压关系表 uY uA uB R0 D2 D1 +VCC +10V 真值表 UD = 0.7 V uA/V uB/V D D2 uY/V A B Y 3 V 0 V 3 V 3 V 0 V 0 V 导通 导通 0.7 3V 1 导通 截止 0.7 截止 导通 0.7 0V 导通 导通 3.7 Y = AB A B Y & 符号: 与门（AND gate)

17 二、二极管或门 电压关系表 真值表 uY uA uB uA/V uB/V D1 D2 uY/V A B Y 0 0 导通 导通 - 0.7
RO D2 D1 -VSS -10V 3V uA/V uB/V D D2 uY/V A B Y 导通 导通 - 0.7 1 0V 截止 导通 2.3 导通 截止 2.3 UD = 0.7 V 导通 导通 2.3 Y = A + B A B Y ≥1 符号: 或门（OR gate)

18 正逻辑和负逻辑的对应关系： 正与门真值表 负或门真值表 A B Y A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1
1 1 A B Y = AB & A B ≥1 同理： 正或门 负与门

19 第二章 小结 一、半导体二极管、三极管 是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关状态。 1. 半导体二极管：
第二章 小结 一、半导体二极管、三极管 是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关状态。 1. 半导体二极管： 是不可控的，利用其开关特性可构成二极管与门和或门。

20 二、分立元件门电路 主要介绍了由半导体二极管构成的与门、或门和非门。 通过对分立元件门电路的分析，可以体会到与、或、非三种最基本的逻辑运算，是如何用半导体电子电路实现的，这将有助于后面集成门电路的学习。