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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 Integration)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,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,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 14 32 核外电子层排列 2.8.4 2.8.18.4 最外层电子数 4 4,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,2,2、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。,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。,禁带宽度 硅 锗 1.21eV 0.785eV 0 1.1eV 0.71eV 300,4、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,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。300 K时，其导电性比铜差 倍提高其导电性能的途径掺杂。,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,2.能带图,价带,导带,价带,导带,i,E,i,E,G,E,G,E,1.1,0.044,G,i,E ev,E ev,=,=,1.1,0.045,G,i,E ev,E ev,=,=,300,K,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,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,4、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,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。,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,3、正向偏置的空间电荷层,，为平衡条件下多子，少子的数量,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。,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。,5、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,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,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,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,正偏电压下反偏电压下动态电阻推导,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,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,1.3 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,1、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,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,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。,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,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,四、应用举例,一、晶体管结构、分类、符号 结构 分类 符号 NPN PNP,1.4 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,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。,2、实验现象,3、放大分析,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。,4、几点说明 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。,集电区收集到电子流，集电极向内 发射空穴以维持电中性，方向为 流入方向。,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,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。,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）,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：,2、输出特性,时，曲线平行横坐标轴，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,三个区域说明截止区放大区 饱和区,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）,：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,五、三极管开关特性,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,七、计算举例 例1.判断T的工作状态,例2 判断T工作状态的方法,例3 计算电路的静态工作点,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,电压、电流波形图（单管CE放大电路),