第三章集成电路与触发器 集成电路是实现数字系统功能的物质基础,它将各种电路使用的元 件和线路集成到一个半导体晶片中,构成集成电路芯片。 3.1集成电路分类 3.1.1分类方法 按照半导体器件的不同分类: 双极型集成电路(采用双极型半导体元件) 晶体管-晶体管逻辑TTL( Transistor Transistor Logic) 射极偶合逻辑ECL( Emitter Coupled Logic) 集成注入逻辑Ⅲ( (Integrated Injection Logic) MOS集成电路(采用金属氧化物元件) P沟道金属氧化物PMOS( P-channel metal. Oxide- Semiconductor) N沟道金属氧化物NMOS(N- channel metal-Oxide- Semiconductor) 互补金属氧化物CMOS( Complement Metal-Oxide- Semiconductor)
第三章 集成电路与触发器 集成电路是实现数字系统功能的物质基础，它将各种电路使用的元 件和线路集成到一个半导体晶片中，构成集成电路芯片。 3．1 集成电路分类 3．1．1 分类方法 按照半导体器件的不同分类： 双极型集成电路（采用双极型半导体元件） 晶体管 – 晶体管逻辑 TTL (Transistor Transistor Logic) 射极偶合逻辑ECL (Emitter Coupled Logic) 集成注入逻辑IIL (Integrated Injection Logic) MOS 集成电路（采用金属氧化物元件） P 沟道金属氧化物 PMOS (P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) N沟道金属氧化物 NMOS (N-channel Metal-Oxide-Semiconductor) 互补金属氧化物 CMOS (Complement Metal-Oxide-Semiconductor)
3.1.2半导体器件特性 杂质半导体 N型半导体:硅( Silicon)五价元素(如磷)。利用自由电子导电 P型半导体:硅+三价元素(如硼),利用空穴导电 正离子 自由电子 负离子 空穴 ⊙s )(+(( N型半导体 P型半导体 非喜噩 ⊕|⊙a ④⊕ N区 P区 N区 P区 平衡状态下的PN结 耗尽层
3．1． 2 半导体器件特性 杂质半导体 N 型半导体：硅 (Silicon)+五价元素（如磷）。利用自由电子导电。 P 型半导体：硅+三价元素（如硼），利用空穴导电。 + + + - + + + + + + + N型半导体 P型半导体 - - - - - - - - - 正离子 自由电子 负离子 空穴 + + + - + + + + + + + - - - - - - - - - N区 P区 + + + - + + + + + + + - - - - - - - - - N区 P区 平衡状态下的PN结 耗尽层
3.1.2半导体器件特性 PN结的导电特性: 出|⊙⊙ d⊕⊕|⊙⊙ N区 P区 电流I ddd由ee N区 P区 R 当N区接电源正极、P区接电源负极时无电流产生,反之,当N区 接电源负极、P区接电源正极时有电流产生
3．1． 2 半导体器件特性 PN 结的导电特性： 当 N 区接电源正极、P 区接电源负极时无电流产生，反之，当N 区 接电源负极、P 区接电源正极时有电流产生 + + + - + + + + + + + - - - - - - - - - N区 P区 R + + + + + + + - - - - - - N区 P区 + + - - + + - - R + 电流 I
3.2半导体器件的开关特性 3.2.1晶体二极管的开关特性 二极管的构成 将金属线连接在PN结的两端,和P区连接的为阳极( Anode),和N 区相连接的为阴极( Cathode) 阳极 阴极 △node Cathode 二极管结构 二极管的符号 1.静态特性 (1)正向特性 二极管正向特性中存在一个门槛电压Um(锗管0.1V,硅管0.5V), 当正向电压UF<UmH时二极管截止,相当于断开,正向电流l=0。当 正向电压UF≥Um时二极管导通,相当于接通,产生正向电流l
3．2 半导体器件的开关特性 3．2．1 晶体二极管的开关特性 二极管的构成： 将金属线连接在PN 结的两端，和 P 区连接的为阳极(Anode)，和N 区相连接的为阴极(Cathode)。 1．静态特性 ⑴ 正向特性 二极管正向特性中存在一个门槛电压UTH（锗管0.1V，硅管0.5V）， 当正向电压 UF < UTH 时二极管截止，相当于断开，正向电流IF = 0。当 正向电压 UF ≥ UTH 时二极管导通，相当于接通，产生正向电流IF 。 阳极 阴极 二极管结构 二极管的符号
3.2.1晶体二极管的开关特性 当U超过一定值(锗管0.3V,硅管0.7V)时,管子处于充分导 通状态,正向电流l增加。 I/1 ma (2)反向特性 40 在反向电压作用下,一二极管g-40-2020 U/V 截止,反向电流几乎为0 二极管具有单向导电性。当 正向电流过大时将烧坏二极管, 因此通常加接限流电阻。当反向电压过大时也会导致二极管击穿 反向电压的极值为UBR,不允许反向电压超过该极值 2.动态特性 导通和截止状态间转换需要一定时间,转换的特性即为动态特性。 (1)反向恢复时间 二极管从正向导通到反向截止所需的时间为反向恢复时间
3．2．1 晶体二极管的开关特性 当 UF 超过一定值（锗管0.3V，硅管0.7V ）时，管子处于充分导 通状态，正向电流IF 增加。 ⑵ 反向特性 在反向电压作用下，二极管 截止，反向电流几乎为0。 二极管具有单向导电性。当 正向电流过大时将烧坏二极管， UBR -40 -20 1 2 Ｕ/ V I/ma 60 40 20 0 4 8 因此通常加接限流电阻。当反向电压过大时也会导致二极管击穿。 反向电压的极值为UBR，不允许反向电压超过该极值。 2．动态特性 导通和截止状态间转换需要一定时间，转换的特性即为动态特性。 ⑴ 反向恢复时间 二极管从正向导通到反向截止所需的时间为反向恢复时间
3 2.1晶体二极管的开关特性 二极管两端加上正向电压UF时 U 产生正向电流lF,I≈UF/R。当输 R 入电压突然转换为反向电压UR时, 瞬间产生反向电流l,l≈UR/R。 该电流持续1时间,再经4时间后逐 渐下降至0.1,接近反向饱和电流 ls,二极管进入截止状态 0 二极管从导通到截止的过程称为 反向恢复过程,其中1s称为存储时 t 间,4称为渡越时间,te=t+41称 0.1lR 为反向恢复时间。 产生反向恢复时间的原因是由于 PN结电子、空穴漂移所致。 一二极管的动态特性
3．2．1 晶体二极管的开关特性 二极管两端加上正向电压UF 时 产生正向电流 IF，IF ≈ UF / R。当输 入电压突然转换为反向电压UR 时， 瞬间产生反向电流IR，IR ≈ UR / R。 该电流持续 t s时间，再经 t t时间后逐 渐下降至 0.1 IR ，接近反向饱和电流 IS，二极管进入截止状态。 二极管从导通到截止的过程称为 反向恢复过程，其中t s 称为存储时 间，t t 称为渡越时间，t re= t s + t t 称 为反向恢复时间。 产生反向恢复时间的原因是由于 PN 结电子、空穴漂移所致。 二极管的动态特性 UD UI R U UF 0 UR I IF ts tt 0.1IR t t1 t IR 0
3.2.1晶体二极管的开关特性 (2)开通时间 二极管从截止转入正向导通所需时间称为开通时间。导通过程中正 向压降U很小,正向电流l≈UF/R。加入正向电压后l几乎立即达到 最大值,开通时间很短,对开关速度影响很小,可忽略不计。 3.2.2晶体三极管的开关特性 三极管具有电流放大功能,被广泛的用于放大电路 基极 集电极 B 发射极 NP N 集电极基极 cE Emitter Collector 发射极
3．2．1 晶体二极管的开关特性 ⑵ 开通时间 二极管从截止转入正向导通所需时间称为开通时间。导通过程中正 向压降 UD 很小，正向电流 IF ≈ UF / R。加入正向电压后IF 几乎立即达到 最大值，开通时间很短，对开关速度影响很小，可忽略不计。 3．2．2 晶体三极管的开关特性 三极管具有电流放大功能，被广泛的用于放大电路
3 2.2晶体三极管的开关特性 1.静态特性 三极管有三个极,基极、集电极和发射极,由集电结、发射结两个 PN结构成。当基极电压高于某个阈值时,两个N结导通,发射极和集 电极在电压的作用下产生电流。 三极管具有截止、放大和饱和三种工作状态。 (1)截止状态 条件:UB0,发射结正偏,集电结反偏,ic=βiB,用于放大器 (3)饱和状态 条件:UBE>0,两个PN结均为正偏,iB≥Bs(基极临界饱和电流) c=ls(集电极饱和电流),相当于开关接通,集电极输出低电平
3．2．2 晶体三极管的开关特性 1．静态特性 三极管有三个极，基极、集电极和发射极，由集电结、发射结两个 PN 结构成。当基极电压高于某个阈值时，两个PN 结导通，发射极和集 电极在电压的作用下产生电流。 三极管具有截止、放大和饱和三种工作状态。 ⑴ 截止状态 条件：UBE 0，发射结正偏，集电结反偏，iC =βiB，用于放大器。 ⑶ 饱和状态 条件：UBE > 0，两个 PN 结均为正偏， iB≥IBS（基极临界饱和电流） iC = ICS（集电极饱和电流），相当于开关接通，集电极输出低电平
3.2.2晶体三极管的开关特性 在数字电路中,晶体管主要工作在饱和和截止两种工作状态 R 截止状态 CE UCC 饱和状态 CCE≈0.3V Rb rb B B 2.动态特性 (1)开通时间on 三极管由截止过渡到开始导通的时间称为延迟时间t。经延迟后a 不断增大至最大值的90%所需时间为上升时间t,ton=ad+t1
3．2．2 晶体三极管的开关特性 在数字电路中，晶体管主要工作在饱和和截止两种工作状态。 2．动态特性 ⑴ 开通时间 ton 三极管由截止过渡到开始导通的时间称为延迟时间td。经延迟后 iC 不断增大至最大值的90% 所需时间为上升时间t r， ton = td + t r 。 UCC UCC RC RC C C Rb Rb B B iB≈0 E iB≥IBS E • • • • • • UCE ≈UCC UCE ≈0.3V 截止状态 饱和状态
3.2.2晶体三极管的开关特性 (2)关闭时间tom 当输入电压由正变负时,基区存储电荷逐渐泻放,直至全部消散, 晶体管开始退出饱和状态,ic开始下降,这段时间称为存储时间t。集 电极电流不断减小,当ic由0.9下降至0.1所需时间为下降时间 =t+ tt 开通时间on和关闭时间o是影响电路工作速度的主要因素 3.2.3MOS管的开关特性 金属氧化物半导体场效应管 MOSFET(Meta- Oxide semiconductor Field- Effect Transistor),简称MOS MOS管类型: N沟道MOS管—nMOS(增强型,耗尽型),栅极为正导通 电流从漏极流向源极,源极通常接地。 P沟道Mos管—pMOS(增强型,耗尽型),栅极为负导通。电 流从源极流向漏极,源极通常接电源
3．2．2 晶体三极管的开关特性 ⑵ 关闭时间 toff 当输入电压由正变负时，基区存储电荷逐渐泻放，直至全部消散， 晶体管开始退出饱和状态，iC 开始下降，这段时间称为存储时间t s。集 电极电流不断减小，当iC 由 0.9 ICS 下降至 0.1 ICS 所需时间为下降时间 t f。toff = t s + t f 。 开通时间 ton 和关闭时间 toff 是影响电路工作速度的主要因素。 3．2．3 MOS 管的开关特性 金属氧化物半导体场效应管MOSFET（Metal-Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor），简称MOS。 MOS 管类型： N 沟道 MOS 管——nMOS（增强型，耗尽型），栅极为正导通。 电流从漏极流向源极，源极通常接地。 P 沟道 MOS 管——pMOS（增强型，耗尽型），栅极为负导通。电 流从源极流向漏极，源极通常接电源