第二章集成邏輯門電路(1)

1、第二章第二章集成邏輯門電路集成邏輯門電路掌握典型掌握典型TTLTTL、CMOSCMOS門電路的邏輯功能、特性、門電路的邏輯功能、特性、主要參數(shù)和使用方法。主要參數(shù)和使用方法?；緝?nèi)容和要求基本內(nèi)容和要求 了解了解TTLTTL、CMOSCMOS門電路的組成和工作原理。門電路的組成和工作原理。了解半導(dǎo)體二極管、三極管和了解半導(dǎo)體二極管、三極管和MOSMOS管的開關(guān)特性。管的開關(guān)特性。了解了解ECLECL等其他邏輯門電路的特點。等其他邏輯門電路的特點。 2.1 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性2.1.1 晶體二極管的開關(guān)特性晶體二極管的開關(guān)特性一個理想開關(guān)具有這樣的特性：閉合時，開關(guān)一個理想

2、開關(guān)具有這樣的特性：閉合時，開關(guān)兩端的電壓為兩端的電壓為0，開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻也為，開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻也為0；斷開時，流過開關(guān)的電流為斷開時，流過開關(guān)的電流為0，開關(guān)兩端點間的電，開關(guān)兩端點間的電阻為無窮大；而且開關(guān)的接通或斷開動作轉(zhuǎn)換可以阻為無窮大；而且開關(guān)的接通或斷開動作轉(zhuǎn)換可以在瞬間完成。在瞬間完成。 但實際中，并不存在這樣的理想開關(guān)。但實際中，并不存在這樣的理想開關(guān)。晶體二極管在近似的開關(guān)電路分析中可以當(dāng)晶體二極管在近似的開關(guān)電路分析中可以當(dāng)作一個理想開關(guān)來分析，但它與理想開關(guān)是有區(qū)作一個理想開關(guān)來分析，但它與理想開關(guān)是有區(qū)別的。別的。1、二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性、二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性

3、電路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的電路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性稱為穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性。開關(guān)特性稱為穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性。 二極管的伏安特性曲線如圖二極管的伏安特性曲線如圖2.1.1(b)所示。所示。圖圖2.1.1 二極管的伏安特性二極管的伏安特性描述該特性的方程為：描述該特性的方程為： 圖中的圖中的Vth稱為正向開啟電壓稱為正向開啟電壓(或稱為門限電或稱為門限電壓、閾值電壓壓、閾值電壓)。 一般硅管的一般硅管的Vth為為0.60.7 V; 鍺鍺管的管的Vth為為0.20.3 V。 當(dāng)外加正向電壓大于當(dāng)外加正向電壓大于Vth時，時，正向電流隨電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增加，二極管正向電流隨電壓

4、的增加按指數(shù)規(guī)律增加，二極管開始導(dǎo)通。開始導(dǎo)通。)1e (DSD kTqvIi 由于二極管的伏安特性曲線在電壓為由于二極管的伏安特性曲線在電壓為Vth處已處已經(jīng)很陡，在一段范圍內(nèi)，電流有較大變化時，二經(jīng)很陡，在一段范圍內(nèi)，電流有較大變化時，二極管的端電壓保持在極管的端電壓保持在Vth左右。左右。 因此，把二極管正因此，把二極管正向電壓大于向電壓大于Vth作為二極管導(dǎo)通的條件。作為二極管導(dǎo)通的條件。當(dāng)外加正向電壓小于當(dāng)外加正向電壓小于Vth，或者外加反向電壓，或者外加反向電壓時，時，vD很小或小于很小或小于0，則，則 ，流過二極，流過二極管的電流管的電流iD=IS。 IS稱為反向飽和電流，一般硅

5、管稱為反向飽和電流，一般硅管的的IS為為10151010 A；鍺管的；鍺管的IS為為1010107 A。 IS數(shù)值都很小，通?？珊雎圆挥嫛?shù)值都很小，通常可忽略不計。 此時，二極管相此時，二極管相當(dāng)于一個很大的電阻，可近似認(rèn)為是開路。當(dāng)于一個很大的電阻，可近似認(rèn)為是開路。 因此，因此，把二極管端電壓小于把二極管端電壓小于Vth作為二極管截止的條件。作為二極管截止的條件。 1eDkTqv當(dāng)二極管作為開關(guān)使用時，可將其伏安特性折當(dāng)二極管作為開關(guān)使用時，可將其伏安特性折線化，如圖線化，如圖2.1.1(c)所示。所示。 當(dāng)正向偏置時，二極管當(dāng)正向偏置時，二極管導(dǎo)通，壓降為導(dǎo)通，壓降為Vth，相當(dāng)于開關(guān)

6、閉合；當(dāng)反向偏置，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)反向偏置時，二極管截止，流過的電流為反向飽和電流時，二極管截止，流過的電流為反向飽和電流IS，非常小，相當(dāng)于開關(guān)斷開。非常小，相當(dāng)于開關(guān)斷開。 由此可得出結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開由此可得出結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一定差異。關(guān)特性與理想開關(guān)存在一定差異。 主要表現(xiàn)為，主要表現(xiàn)為，二極管開關(guān)閉合時，兩端仍有電位降落；開關(guān)斷開二極管開關(guān)閉合時，兩端仍有電位降落；開關(guān)斷開時，存在反向電流。時，存在反向電流。 此外，二極管的此外，二極管的Vth和和IS都與都與溫度有關(guān)。溫度有關(guān)。 通常溫度每升高通常溫度每升高1，Vth約減小約減小22.5

7、mV；溫度每升高；溫度每升高10，反向飽和電流，反向飽和電流IS約增大一約增大一倍。倍。 有時把二極管視為理想的開關(guān)，即用一個理想有時把二極管視為理想的開關(guān)，即用一個理想開關(guān)來等效，截止時認(rèn)為開路，導(dǎo)通時認(rèn)為短路。開關(guān)來等效，截止時認(rèn)為開路，導(dǎo)通時認(rèn)為短路。 等效電路如圖等效電路如圖2.1.2所示。所示。 圖圖2.1.2 二極管開關(guān)等效電路二極管開關(guān)等效電路2、二極管瞬態(tài)開關(guān)特性、二極管瞬態(tài)開關(guān)特性 電路處于瞬變狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性電路處于瞬變狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性稱為瞬態(tài)開關(guān)特性。稱為瞬態(tài)開關(guān)特性。 具體地說，就是晶體管在大具體地說，就是晶體管在大信號作用下，由導(dǎo)通到截止或者由

8、截止到導(dǎo)通時呈信號作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通時呈現(xiàn)的開關(guān)特性。現(xiàn)的開關(guān)特性。 理想二極管作開關(guān)時，在外加跳變電壓作用下，理想二極管作開關(guān)時，在外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都是在瞬間完成，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都是在瞬間完成，沒有過渡過程，如圖沒有過渡過程，如圖2.1.3所示。所示。 圖圖2.1.3 理想二極管開關(guān)特性理想二極管開關(guān)特性 在圖在圖2.1.3所示電路中，二極管所示電路中，二極管D的工作狀態(tài)由的工作狀態(tài)由輸入電壓輸入電壓vI決定。決定。 當(dāng)當(dāng)vI =VF時，二極管導(dǎo)通，二極時，二極管導(dǎo)通，二極管兩端的正向電壓管兩端的正向電壓vD 0，通過二極管的正

9、向電流，通過二極管的正向電流iD=IF=VF/R；當(dāng)；當(dāng)vI=VR 時，二極管截止時，二極管截止, 二極管兩二極管兩端的反向電壓端的反向電壓vD=VR，通過二極管的反向電流，通過二極管的反向電流iD0。 事實上，二極管兩端的電壓事實上，二極管兩端的電壓vD不可能像圖不可能像圖2.1.3中那樣發(fā)生突變。中那樣發(fā)生突變。 圖圖2.1.4為二極管的瞬態(tài)開為二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性波形。關(guān)特性波形。 圖圖2.1.4 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性二極管瞬態(tài)開關(guān)特性 二極管是由一個二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的，在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)成的，在穩(wěn)態(tài)vI=VF時時正向?qū)?，在外加反向電壓正向?qū)?，在外加反向電壓vI=VR時，時，D反向截止

10、，反向截止，PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬，結(jié)空間電荷區(qū)變寬，iD很小。很小。 當(dāng)當(dāng)tt1時，外加正向電壓時，外加正向電壓vI=VF，P區(qū)中的空穴區(qū)中的空穴向向N區(qū)擴散，區(qū)擴散，N區(qū)中的電子向區(qū)中的電子向P區(qū)擴散，這樣不但使區(qū)擴散，這樣不但使空間電荷區(qū)變窄，而且使多子在對方區(qū)域存儲，建空間電荷區(qū)變窄，而且使多子在對方區(qū)域存儲，建立起一定的少數(shù)載流子濃度分布。此時二極管立起一定的少數(shù)載流子濃度分布。此時二極管D穩(wěn)穩(wěn)定工作在導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電壓為定工作在導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電壓為vD0.60.7 V(以硅以硅管為例管為例)，導(dǎo)通電流，導(dǎo)通電流iD=IF=(VF-vD)/R VF/R。 當(dāng)當(dāng)t=t1時，外加電壓時，外

11、加電壓vI由由VF向下突變?yōu)橄蛳峦蛔優(yōu)閂R，P區(qū)存儲的電子和區(qū)存儲的電子和N區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，在區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，在反向電壓作用下，反向電壓作用下，P區(qū)的電子被拉回區(qū)的電子被拉回N區(qū)，區(qū)，N區(qū)的空區(qū)的空穴被拉回穴被拉回P區(qū)，形成反向漂移電流，區(qū)，形成反向漂移電流，iD=IR=(vI-vD)/R-VR/R，使存儲電荷不斷減少。，使存儲電荷不斷減少。 在這些存儲在這些存儲電荷消失之前，電荷消失之前，PN結(jié)仍處于正向偏置。結(jié)仍處于正向偏置。 從從vI負(fù)跳變開始至反向電流降到負(fù)跳變開始至反向電流降到0.9IR所需的時所需的時間，稱為存儲時間間，稱為存儲時間ts。 在這段時間內(nèi)，在這段時

12、間內(nèi)，PN結(jié)維持結(jié)維持正向偏置，反向電流正向偏置，反向電流IR近似不變。近似不變。 經(jīng)過經(jīng)過ts時間后，反向電流使存儲電荷繼續(xù)消失，時間后，反向電流使存儲電荷繼續(xù)消失，空間電荷區(qū)逐漸加寬，二極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。空間電荷區(qū)逐漸加寬，二極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。 反向電流由反向電流由IR減小至反向飽和電流值，這段時減小至反向飽和電流值，這段時間稱為下降時間間稱為下降時間tf。 通常以從通常以從0.9IR下降到下降到0.1IR所需所需時間確定時間確定tf。trr= ts+tf 稱為反向恢復(fù)時間。稱為反向恢復(fù)時間。 在在tt2期間，二極管反向截止，期間，二極管反向截止，vD =VR，iD=IS，空間電荷區(qū)很寬。

13、，空間電荷區(qū)很寬。 當(dāng)當(dāng)t=t2時，外加電壓時，外加電壓vI由由VR突變?yōu)橥蛔優(yōu)閂F。 由于由于二極管兩端電壓不能突變，電路中產(chǎn)生瞬時大電流二極管兩端電壓不能突變，電路中產(chǎn)生瞬時大電流(VR+VF)/R，二極管迅速導(dǎo)通，二極管迅速導(dǎo)通，iD由由(VR+VF)/R迅速迅速下降到下降到iD=IF=VF/R。 從從vI正向跳變到二極管正向?qū)ǚQ為二極管的正向跳變到二極管正向?qū)ǚQ為二極管的正向恢復(fù)時間，通常用正向恢復(fù)時間，通常用vD的上升時間的上升時間tr來描述。來描述。 與與trr相比，正向恢復(fù)時間小得多，可忽略不計。相比，正向恢復(fù)時間小得多，可忽略不計。 由以上分析可知，反向恢復(fù)時間由以上分析可

14、知，反向恢復(fù)時間trr是影響二極是影響二極管開關(guān)速度的主要原因，它是二極管開關(guān)特性的重管開關(guān)速度的主要原因，它是二極管開關(guān)特性的重要參數(shù)。要參數(shù)。 由于由于trr的存在導(dǎo)致開關(guān)二極管從導(dǎo)通到截的存在導(dǎo)致開關(guān)二極管從導(dǎo)通到截止速度慢，而從截止到導(dǎo)通速度快。止速度慢，而從截止到導(dǎo)通速度快。2.1.2 晶體三極管的開關(guān)特性晶體三極管的開關(guān)特性 在模擬電子線路中，晶體三極管常常工作在線在模擬電子線路中，晶體三極管常常工作在線性放大狀態(tài)，而在數(shù)字電路中，在大幅度脈沖信號性放大狀態(tài)，而在數(shù)字電路中，在大幅度脈沖信號工作下，晶體管交替工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，它作工作下，晶體管交替工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，它作為開

15、關(guān)元件使用。為開關(guān)元件使用。 1、三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性、三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性 圖圖2.1.5為一個為一個NPN單管共射電路。單管共射電路。 晶體三極晶體三極管輸出伏安特性曲線如圖管輸出伏安特性曲線如圖2.1.6所示。所示。 圖圖2.1.5 基本單管共射電路基本單管共射電路圖圖2.1.6 晶體三極管輸出特性曲線和負(fù)載線晶體三極管輸出特性曲線和負(fù)載線根據(jù)根據(jù)VCC和和Rc的值可在輸出伏安特性上畫一條的值可在輸出伏安特性上畫一條負(fù)載線：當(dāng)負(fù)載線：當(dāng)vI0時，管子截止，工作在特性曲線時，管子截止，工作在特性曲線的的A點；當(dāng)點；當(dāng)ib=60 A 時，若管子的時，若管子的50，則，則ic=ib3 mA，管子處

16、于臨界飽和狀態(tài)，工作在特，管子處于臨界飽和狀態(tài)，工作在特性曲線的性曲線的B點。點。 通常把處于臨界飽和時的基極電流通常把處于臨界飽和時的基極電流稱為飽和基流，記為稱為飽和基流，記為Ibs，本例，本例Ibs=60 A。 當(dāng)當(dāng)ib Ibs時，時，ic幾乎不變，管子進(jìn)入飽和區(qū)，此時的集幾乎不變，管子進(jìn)入飽和區(qū)，此時的集電極電流稱為飽和集電極電流，記為電極電流稱為飽和集電極電流，記為Ics。 在圖在圖2.1.5所示電路中，所示電路中，ic的最大值為的最大值為VCC/Rc，即即Ics=VCC/Rc, Ibs=Ics/=VCC/(Rc)。 判斷三極管是判斷三極管是否進(jìn)入飽和區(qū)，就是看是否否進(jìn)入飽和區(qū)，就是

17、看是否ibIbs，大得越多，飽，大得越多，飽和越深。和越深。 S=ib/Ibs稱為飽和系數(shù)，稱為飽和系數(shù)，S越大，飽和深度越大，飽和深度越深。越深。 晶體三極管有三個工作狀態(tài)，以圖晶體三極管有三個工作狀態(tài)，以圖2.1.5為例為例總結(jié)如下：總結(jié)如下：(1) 截止?fàn)顟B(tài)。截止?fàn)顟B(tài)。 條件：條件：vIVth(Vth為三極管為三極管be結(jié)的正向開啟電壓結(jié)的正向開啟電壓)，此時，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為，此時，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置，即反向偏置，即vbve，vbvc。 特點：特點：ib0，ic0，vOVCC，晶體管相當(dāng)于開，晶體管相當(dāng)于開關(guān)斷開。關(guān)斷開。(2) 放大狀態(tài)。放大狀態(tài)。 條件：條件：vIVth而

18、小于某一數(shù)值而小于某一數(shù)值(約為約為1 V)，此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即，此時，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即vbve，vbvc。 特點：三極管特點：三極管T有放大能力，有放大能力，ic=ib，ic的大小的大小與與VCC、Rc基本上無關(guān)?；旧蠠o關(guān)。 ib、ic隨隨vI的增加而增加，的增加而增加，vO隨隨vI的增加而下降。的增加而下降。 當(dāng)當(dāng)vI有一較小的有一較小的vI變化時，變化時，會引起輸出電壓會引起輸出電壓vO較大的變化，即較大的變化，即vO/vI1。 (3) 飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)。 條件：條件：vI大于某一數(shù)值大于某一數(shù)值(約為約為1 V)，此時，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置，即，此時，

19、發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正向偏置，即vbve，vbvc。 特點：基極電流足夠大，滿足特點：基極電流足夠大，滿足ibIbs =(VCC-Vce(sat)/ (Rc)，此時，此時vO=Vce(sat)0.3 V；ic=(VCC-Vce(sat)/RcVCC/Rc。 晶體管晶體管c、e之間相當(dāng)于開關(guān)之間相當(dāng)于開關(guān)閉合閉合(Vce(sat)為為c、e間的飽和壓降，很小，約為間的飽和壓降，很小，約為0.3 V)。 表表2.1.1給出了三極管在不同工作區(qū)的典型給出了三極管在不同工作區(qū)的典型結(jié)壓降。結(jié)壓降。 表表2.1.1 三極管典型的結(jié)壓降數(shù)據(jù)三極管典型的結(jié)壓降數(shù)據(jù) 三極管作為開關(guān)管，截止時的等效電路如圖三極管

20、作為開關(guān)管，截止時的等效電路如圖2.1.7所示，由于兩個結(jié)都處于反偏，所以所示，由于兩個結(jié)都處于反偏，所以e、b、c三個電極之間開路。三個電極之間開路。 三極管飽和時，兩個結(jié)都處于正偏，結(jié)間有小三極管飽和時，兩個結(jié)都處于正偏，結(jié)間有小的壓降，其等效電路如圖的壓降，其等效電路如圖2.1.8(a)所示，若忽略結(jié)所示，若忽略結(jié)壓降，則等效電路可簡化為圖壓降，則等效電路可簡化為圖2.1.8(b)，三個電極，三個電極之間如同短路一樣。之間如同短路一樣。 圖圖2.1.7 三極管截止時等效電路三極管截止時等效電路圖圖2.1.8 三極管飽和時等效電路三極管飽和時等效電路2、三極管瞬態(tài)開關(guān)特性、三極管瞬態(tài)開關(guān)特

21、性晶體三極管作為開關(guān)管運用，其截止和飽和兩晶體三極管作為開關(guān)管運用，其截止和飽和兩種工作狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換不可能在瞬間完成，如同二種工作狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換不可能在瞬間完成，如同二極管一樣，在三極管的開關(guān)過程中內(nèi)部存在電荷的極管一樣，在三極管的開關(guān)過程中內(nèi)部存在電荷的積累和消散過程，因而需要時間。積累和消散過程，因而需要時間。 在圖在圖2.1.5所示電路中輸入脈沖波形所示電路中輸入脈沖波形vI，其集電，其集電極電流極電流ic和輸出的波形和輸出的波形vO如圖如圖2.1.9所示。所示。 由該圖由該圖可以看出，與理想瞬態(tài)開關(guān)特性相比，實際電路的可以看出，與理想瞬態(tài)開關(guān)特性相比，實際電路的輸出波形會發(fā)生畸變，邊

22、沿變差。輸出波形會發(fā)生畸變，邊沿變差。 該圖給出了幾該圖給出了幾個開關(guān)時間參數(shù)。個開關(guān)時間參數(shù)。 圖圖2.1.9 三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性(1) 開關(guān)時間開關(guān)時間當(dāng)當(dāng)vI從從-V跳變跳變+V時，晶體管不能立即導(dǎo)通，要時，晶體管不能立即導(dǎo)通，要經(jīng)歷一段延遲時間經(jīng)歷一段延遲時間td和一個上升時間和一個上升時間tr，集電結(jié)電，集電結(jié)電流流ic才能接近于最大值才能接近于最大值Ics。 延遲時間延遲時間td：從：從vI正跳變開始，至集電結(jié)電正跳變開始，至集電結(jié)電流流ic上升到上升到0.1Ics所需要的時間。所需要的時間。 上升時間上升時間tr：ic從從0.1Ics上升到上升到0.9Ics

23、所需要所需要的時間。的時間。 開通時間開通時間ton：ton=td+tr。 當(dāng)當(dāng)vI從從+V跳變跳變-V時，晶體管也不能立即截止，時，晶體管也不能立即截止，要經(jīng)歷一段存儲時間要經(jīng)歷一段存儲時間ts和一個下降時間和一個下降時間tf，ic才逐漸才逐漸下降到下降到0。 存儲時間存儲時間ts：從：從vI負(fù)跳變開始，至集電結(jié)電負(fù)跳變開始，至集電結(jié)電流流ic下降到下降到0.9Ics所需要的時間。所需要的時間。 下降時間下降時間tf：ic 從從 0.9Ics下降到下降到0.1Ics所需要所需要的時間。的時間。 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff：toff=ts+tf。 (2) 開關(guān)時間形成的原因開關(guān)時間形成的原因 首

24、先分析晶體三極管由截止?fàn)顟B(tài)過渡到飽首先分析晶體三極管由截止?fàn)顟B(tài)過渡到飽和狀態(tài)的過程，即發(fā)射結(jié)由反偏至正偏過程和集電和狀態(tài)的過程，即發(fā)射結(jié)由反偏至正偏過程和集電極電流形成過程。極電流形成過程。 vI由由-V+V時，由于結(jié)電容的存在，發(fā)射結(jié)不時，由于結(jié)電容的存在，發(fā)射結(jié)不能立即由反偏跳變至正偏，要經(jīng)歷空間電荷區(qū)由寬能立即由反偏跳變至正偏，要經(jīng)歷空間電荷區(qū)由寬變窄，電荷量由多變少變窄，電荷量由多變少(等效于結(jié)電容放電等效于結(jié)電容放電)的過程。的過程。 當(dāng)發(fā)射結(jié)偏壓由當(dāng)發(fā)射結(jié)偏壓由-V上升到上升到 0.7 V左右，左右，T導(dǎo)通，導(dǎo)通，發(fā)射區(qū)開始向基區(qū)注入電子并擴散至集電結(jié)，形成發(fā)射區(qū)開始向基區(qū)注入電子

25、并擴散至集電結(jié)，形成集電極電流，這個過程所需要的時間即為延遲時間集電極電流，這個過程所需要的時間即為延遲時間td。 延遲時間延遲時間td的長短取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和的長短取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。電路工作條件。 三極管結(jié)電容越小，三極管結(jié)電容越小， td越短；三越短；三極管截止時反偏越大，極管截止時反偏越大， td越長；正向驅(qū)動電流越大，越長；正向驅(qū)動電流越大， td越短。越短。 在延遲時間在延遲時間td后，發(fā)射區(qū)不斷向基區(qū)注入電子，后，發(fā)射區(qū)不斷向基區(qū)注入電子，并擴散至集電結(jié)，形成集電極電流，同時在基區(qū)并擴散至集電結(jié)，形成集電極電流，同時在基區(qū)累積。累積。 電子濃度在基區(qū)不斷增

26、加，電子濃度在基區(qū)不斷增加，ic也逐漸加大。也逐漸加大。 上升時間上升時間tr就是就是ic從從0.1Ics上升到上升到0.9Ics基區(qū)內(nèi)電子基區(qū)內(nèi)電子電荷累積所需要的時間。電荷累積所需要的時間。 tr的大小也取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工的大小也取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。作條件。 基區(qū)寬度基區(qū)寬度w越小，越小，tr越小；基極驅(qū)動電流越?。换鶚O驅(qū)動電流越大，越大，tr越短。越短。 再來分析晶體三極管由飽和狀態(tài)過渡到截再來分析晶體三極管由飽和狀態(tài)過渡到截止?fàn)顟B(tài)的過程，即驅(qū)散基區(qū)多余存儲電荷及驅(qū)散基止?fàn)顟B(tài)的過程，即驅(qū)散基區(qū)多余存儲電荷及驅(qū)散基區(qū)存儲電荷的過程。區(qū)存儲電荷的過程。 當(dāng)當(dāng)vI

27、=+V時，三極管時，三極管T穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)，穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)，ibIbs，集電結(jié)也正偏，集電區(qū)不能收集從發(fā)射區(qū)注，集電結(jié)也正偏，集電區(qū)不能收集從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的全部電子，在基區(qū)形成了多余電子積累入到基區(qū)的全部電子，在基區(qū)形成了多余電子積累QBS。vI由由+V-V，多余電子積累，多余電子積累QBS和基區(qū)存儲和基區(qū)存儲電荷電荷QB均不能立即消散。均不能立即消散。 在在QBS未消失之前，未消失之前，ic就就維持維持Ics不變，不變，T仍飽和。仍飽和。 在在-V作用下，隨著作用下，隨著QBS的減少，飽和深度變淺，的減少，飽和深度變淺，QBS全部消失后，基區(qū)電子分布回到全部消失后，基區(qū)電子分布回

28、到ic=Ics對應(yīng)的基對應(yīng)的基區(qū)電子濃度，區(qū)電子濃度，T脫離飽和。脫離飽和。 ts就是多余存儲電荷就是多余存儲電荷QBS消失所需的時間。消失所需的時間。 飽和度越深，飽和度越深，QBS越多，越多，ts越長；基極反向驅(qū)越長；基極反向驅(qū)動電流越大，動電流越大， QBS消失越快，消失越快，ts越短。越短。 QBS 消失后，集電結(jié)由正偏轉(zhuǎn)向反偏，基極消失后，集電結(jié)由正偏轉(zhuǎn)向反偏，基極反向驅(qū)動電流反向驅(qū)動電流-ib使基區(qū)電子濃度越來越少，使基區(qū)電子濃度越來越少，ic也逐也逐漸減少。漸減少。 T由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。由?dǎo)通變?yōu)榻刂埂?ic從從0.9Ics減少至減少至0.1Ics所需的時間就是下降時間所需的時間就

29、是下降時間tf。 反向驅(qū)動電流反向驅(qū)動電流越大，越大，tf越短。越短。由上述分析可以看出，由上述分析可以看出，td、tr、ts和和tf這四個時這四個時間參數(shù)都是以集電極電流的變化情況來測定的。間參數(shù)都是以集電極電流的變化情況來測定的。 通常通常td 較小，較小，ts隨飽和深度而變化。隨飽和深度而變化。 當(dāng)飽和較深時，當(dāng)飽和較深時，ts相對于相對于td、tr和和tf時間最長，成為影響三極管開關(guān)時間最長，成為影響三極管開關(guān)工作速度的主要原因。工作速度的主要原因。 ton和和toff的時間長短與管子的時間長短與管子本身特性有關(guān)，也與管子的使用情況有關(guān)。本身特性有關(guān)，也與管子的使用情況有關(guān)。 正向正向

30、基極電流基極電流ib越大，越大，ton越短，但這又會使管子飽和深越短，但這又會使管子飽和深度加深，度加深，toff加長；相反，反向基極電流加大，可使加長；相反，反向基極電流加大，可使toff縮短?？s短。2.1.3 MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性上節(jié)介紹的晶體管是雙極型的，其內(nèi)部的兩種上節(jié)介紹的晶體管是雙極型的，其內(nèi)部的兩種載流子載流子(多子和少子多子和少子)均參與導(dǎo)電，少子的飄移運動均參與導(dǎo)電，少子的飄移運動受溫度、光照等影響較大，所以其溫度特性較差。受溫度、光照等影響較大，所以其溫度特性較差。 MOS管是一種單極型半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部只有多管是一種單極型半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部只有多子參于導(dǎo)電。子參

31、于導(dǎo)電。 這種器件受外部因素影響較小，因這種器件受外部因素影響較小，因此溫度穩(wěn)定性好，又因為此溫度穩(wěn)定性好，又因為MOS管集成工藝簡單，管集成工藝簡單，工作速度快，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集工作速度快，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。成電路中。 1、MOS管的分類管的分類 MOS管有三個電極：源極管有三個電極：源極S、漏極、漏極D和柵極和柵極G。 由于漏極電流受柵由于漏極電流受柵-源電壓的控制，故它是電壓控源電壓的控制，故它是電壓控制器件。制器件。 MOS管按其溝道可分為管按其溝道可分為P溝道和溝道和N溝道兩類，溝道兩類，按其工作特性每一類又分為增強型和耗盡型兩種。按其工作特性

32、每一類又分為增強型和耗盡型兩種。 因此因此MOS管的四種類型為：管的四種類型為：N溝道增強型、溝道增強型、N溝道溝道耗盡型、耗盡型、P溝道增強型、溝道增強型、P溝道耗盡型。溝道耗盡型。 若導(dǎo)電溝道是由若導(dǎo)電溝道是由N型電子形成的，則稱為型電子形成的，則稱為N溝溝道場效應(yīng)管或道場效應(yīng)管或NMOS管；若導(dǎo)電溝道是由管；若導(dǎo)電溝道是由P型空穴型空穴形成的，則稱為形成的，則稱為P溝道場效應(yīng)管或溝道場效應(yīng)管或PMOS管。管。 柵柵-源電壓源電壓vGS為零時漏極電流也為零的管子，均屬于為零時漏極電流也為零的管子，均屬于增強型管；增強型管；柵柵-源電壓源電壓vGS為零時漏極電流不為零的為零時漏極電流不為零的

33、管子，均屬于耗盡型管。管子，均屬于耗盡型管。 表表2.1.2列出了四種類型列出了四種類型MOS管的特點。管的特點。表表2.1.2 四種類型四種類型MOS管的特點管的特點 由于由于NMOS管溝道中的載流子是電子，其遷移管溝道中的載流子是電子，其遷移率是空穴載流子遷移率的一倍，工作速度較快，因率是空穴載流子遷移率的一倍，工作速度較快，因而而NMOS管應(yīng)用十分廣泛。管應(yīng)用十分廣泛。 下面以下面以N溝道增強型溝道增強型MOS管為例進(jìn)行討論。管為例進(jìn)行討論。 2、N溝道增強型溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)及工作原理管的結(jié)構(gòu)及工作原理N溝道增強型溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖管的結(jié)構(gòu)如圖2.1.10所示。所示。

34、它以一塊低摻雜的它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底，利用擴散工藝型硅片為襯底，利用擴散工藝制作兩個高摻雜的制作兩個高摻雜的N+區(qū)，并引出兩個電極，分別為區(qū)，并引出兩個電極，分別為源極源極S和漏極和漏極D。在半導(dǎo)體上制作一層。在半導(dǎo)體上制作一層SiO2絕緣層，絕緣層，再在再在SiO2上制作一層金屬鋁，引出柵極上制作一層金屬鋁，引出柵極G。 G、S和和G、D之間均被之間均被SiO2絕緣層隔離，因此也叫絕緣絕緣層隔離，因此也叫絕緣柵型場效應(yīng)管。柵型場效應(yīng)管。 通常將襯底和源極接在一起使用。通常將襯底和源極接在一起使用。 這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個極板，中間是絕緣這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個極板，中間是

35、絕緣層，形成電容。層，形成電容。 圖圖2.1.10 N溝道增強型溝道增強型MOS管管當(dāng)柵當(dāng)柵-源電壓源電壓vGS變化時，將改變襯底靠近絕緣變化時，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。 工作原理：當(dāng)工作原理：當(dāng)G、S間不加電壓時，間不加電壓時，D、S間是間是兩只背對背的兩只背對背的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道；當(dāng)結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道；當(dāng)vDS=0，且且vGS0時，由于時，由于SiO2的存在，柵極電流為零。的存在，柵極電流為零。 但柵極金屬層將聚集正電荷，排斥但柵極金屬層將聚集正電荷，排斥P型襯底靠近型襯底靠近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩

36、下不能移動的負(fù)離子，形一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負(fù)離子，形成耗盡層。另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡成耗盡層。另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成層與絕緣層之間，形成D、S之間的導(dǎo)電溝道。之間的導(dǎo)電溝道。 vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。越大，導(dǎo)電溝道越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。 這時，若在這時，若在D、S間加正向電壓間加正向電壓vDS，則產(chǎn)生漏，則產(chǎn)生漏-源電源電流流iDS。 使增強型使增強型NMOS管導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵管導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵-源源電壓稱為閾值電壓電壓稱為閾值電壓(或開啟電壓或開啟電壓) ，記為，記為VGS(th)N。 對于耗盡型對于耗盡型M

37、OS管，其閾值電壓為夾斷電壓，記管，其閾值電壓為夾斷電壓，記為為VGS(off)N。 當(dāng)當(dāng)vGSVGS(th)N，管子截止，管子截止，iDS=0；當(dāng)；當(dāng)vGSVGS(th)N，產(chǎn)生，產(chǎn)生iDS，隨著，隨著vGS增加，溝道越寬，增加，溝道越寬，導(dǎo)電溝道的電阻越小。導(dǎo)電溝道的電阻越小。 3、MOS管的輸出特性管的輸出特性圖圖2.1.11是是N溝道增強型溝道增強型MOS管輸出特性曲線。管輸出特性曲線。 輸出特性曲線表示在一定柵輸出特性曲線表示在一定柵-源電壓源電壓vGS下，漏下，漏-源電源電流流iDS和漏和漏-源電壓源電壓vDS之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 圖圖2.11 N溝道增強型溝道增強型MOS管輸

38、出特性曲線管輸出特性曲線從圖中可見，它有三個工作區(qū)：截止區(qū)、非飽從圖中可見，它有三個工作區(qū)：截止區(qū)、非飽和區(qū)和飽和區(qū)。和區(qū)和飽和區(qū)。 (1) 截止區(qū)截止區(qū)條件：條件：vGSVGS(th)N。 特點：特點：D-S極之間還沒有形成導(dǎo)電溝道，極之間還沒有形成導(dǎo)電溝道，iDS= 0，這時，這時，D-S間的內(nèi)阻間的內(nèi)阻Roff可達(dá)可達(dá)109 以上以上, 管子截管子截止。止。 (2) 非飽和區(qū)非飽和區(qū)(或稱可變電阻區(qū)，圖中虛線左邊或稱可變電阻區(qū)，圖中虛線左邊的區(qū)域的區(qū)域)。條件：條件：vGSVGS(th)N，vDSvGSVGS(th)N。 特點：當(dāng)特點：當(dāng)vGS一定時，一定時，iDS與與vDS之比近似地等

39、于之比近似地等于一個常數(shù)，一個常數(shù)，iDS基本隨著基本隨著vDS線性上升，類似于線性線性上升，類似于線性電阻的性質(zhì)，其等效導(dǎo)通電阻電阻的性質(zhì)，其等效導(dǎo)通電阻Ron的大小和的大小和vGS的數(shù)的數(shù)值有關(guān)，值有關(guān)，vGS越大，曲線越陡，相應(yīng)的等效導(dǎo)通電越大，曲線越陡，相應(yīng)的等效導(dǎo)通電阻阻Ron越小。越小。 MOS管工作在非飽和區(qū)時的電流方程為：管工作在非飽和區(qū)時的電流方程為：)(22DSDSNGS(th)GSNDSvvVvki MOS管導(dǎo)通電阻管導(dǎo)通電阻Ron為漏源電壓為漏源電壓vDS與漏源電流與漏源電流iDS的比值，即：的比值，即：)(21DSNGS(th)GSNDSDSonvVvkivR 當(dāng)當(dāng)v

40、DS趨于趨于0時，時，MOS管導(dǎo)通電阻管導(dǎo)通電阻Ron和和vGS的關(guān)的關(guān)系為：系為：)(21NGS(th)GSN0onDSVvkRv 上頁最后公式表明，在上頁最后公式表明，在vGS遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于VGS(th)N的情況的情況下，下，Ron近似地與近似地與vGS成反比。因此，為了得到較小成反比。因此，為了得到較小的導(dǎo)通電阻，的導(dǎo)通電阻，vGS的取值應(yīng)盡可能大。的取值應(yīng)盡可能大。 (3) 飽和區(qū)飽和區(qū)(或稱恒流區(qū)，圖中虛線右邊的區(qū)域或稱恒流區(qū)，圖中虛線右邊的區(qū)域)。條件：條件：vGSVGS(th)N，vDSvGS-VGS(th)N。 特點：特點：iDS在達(dá)到某一數(shù)值時，幾乎不隨在達(dá)到某一數(shù)值時，幾乎不隨vDS的增的增加而變化，其大小基本上由加而變化，其大小基本上由vGS決定，進(jìn)入恒流區(qū)，決定，進(jìn)入恒流區(qū)，管子飽和。管子飽和。 圖中的虛線是滿足圖中的虛線是滿足vDS= vGSVGS(th)N的臨界點的臨界點連接而成的，它作為飽和區(qū)和非飽和區(qū)的分界線。連接而成的，它作為飽和區(qū)和非飽和區(qū)的分界線。 MOS管工作在飽和時的電流方程為：管工作在飽和時的電流方程為：iDS=kN(vGSVGS(th)N)2 可以看出，在可以看出，在vGS 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于VGS(th)N的情況下，的情況下，iDS近似地與近似地與v2GS成正比。成正比。 4、轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)、轉(zhuǎn)移特性