数电笔记 | Hole Black's Blog

0基本半导体器件

0.1半导体二极管

0.1.1二极管特性

注：书上是将PN结和半导体二极管分开讲，因为两者很多特性相似，故在这里和在一起。

1.伏安特性

PN结的理想伏安特性：

: 反向饱和电流
V : PN结外加电压
: 温度的电压当量
k : 玻尔兹曼常数
: 电子电荷

$室温取$

(a)硅二极管的伏安特性曲线，虚线为PN结的理想伏安特性 (b)锗二极管的伏安特性曲线

2.正向、3.反向特性

		硅管	锗管
2.正向特性 $I = I_{s} e^{V / V_{T}}$	开启电压（门坎电压）Vth	0.5V	0.1V
2.正向特性 $I = I_{s} e^{V / V_{T}}$	导通压降	0.6V-0.8V(0.7V)	0.2-0.3V(0.3V)
3.反向特性 $I = - I_{s}$	反向电流	nA数量级	uA数量级

4.温度特性

PN结温度升高时：

反向饱和电流显著增加－－PN反向电压具有正温度特性
温度每升高，约增加一倍。

为时的反向饱和电流。
正向电流升高（相当与保持正向电流不变，所需的正偏压减少）－－PN结正向电压具有负温度特性

为保证PN结正常工作，有最高结温的限制：硅半导体: $℃$ ，锗半导体: $℃$

5.反向击穿特性

雪崩击穿--发生在低掺杂的PN结中，反向击穿电压较高(大于7V) 温度系数为正
齐纳击穿--发生在高掺杂的PN结中，反向击穿电压较低(小于4V)
在4~7V时，上述两种击穿可同时存在反向击穿后应限制反向电流的增加

6.电容效应

PN结电容= 势垒电容 + 扩散电容

正向偏置时，以为主；反向偏置时，以为主。

7. 其他参数

正向最大整流电流（长期运行允许通过的最大半波整流电流的平均值）
反向击穿电压（通常将此电压的一半作为允许的最高反向电压）
反向电流（室温下，加上最高反向工作电压时的反向电流）
结电容或关断时间（用于确定二极管能否在高频或高速开关下正常工作）

0.1.2二极管模型

非线性器件，进行线性化处理

(1) 理想模型

(2)大信号模型

(3)小信号模型

当点处切线与横坐标的夹角已知时，其动态电阻。动态电阻的另一种计算方法，可以由 PN 结特性方程求导数得到:

二极管基本应用电路分析例子

全波整流电路、桥式整流电路
限幅保护电路
门电路
低压稳压电路

0.1.3特种二极管

TODO 此处未整理完，以后再加

稳压二极管等，以后再理

0.2半导体三极管

BJT：双极性晶体管（英语：bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），简称晶体管，俗称三极管。

结构与类型：NPN与PNP两种从材料组成：硅三极管（NPN），锗三极管（PNP）

工作时PN结的条件

发射结正向偏置，集电结反向偏置—放大状态

发射结正向偏置，集电结正向偏置—饱和状态

发射结反向偏置，集电结正向偏置—倒置工作状态

发射结反向偏置，集电结反向偏置—截止状态

曲线

输入特性曲线

工作状态的判断

方法1: 当三极管导通时,先假设放大状态进行计算，若计算结果 （NPN 硅管），则说明三极管工作在饱和状态。 方法2: 先计算三极管临界饱和时 (取) 的集电极临界饱和电流 ,倒推出基极临界饱和电流，若基极实际电流，则说明三极管工作在饱和状态。

0.3场效应管

0.3.1各种场效应管

0.3.2伏安特性与电流方程

(1) 输出特性(漏极特性)

表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系

特性与三极管相似，分为 3个工作区，但工作区的作用有所不同。 - 可变电阻区 - 放大区(恒流区、饱和区) - 截止区(夹断区)

(2) 增强型NMOS管的转移特性

（增强型PMOS管的控制特性与NMOS管相同，除了电压电流极性相反）在一定下，栅-源电压与漏极电流之间的关系 $即：$ 是时的漏极电流

(3) 耗尽型NMOS的伏安特性

为饱和漏极电流，是时耗尽型MOS管的漏极电流。放大区的电流方程：

(4)JFET的伏安特性（以N沟道JFET为例）

伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但要求不能正偏。转移特性曲线的斜率，表明栅极电压对漏极电流的控制能力: $常数$

0.3.3场效应管的工作状态

(1) 可变电阻区

管子导通，但尚未预夹断 - 不仅受的控制，而且随增大而线性增大，表现出电阻特性 - 等效为可控电阻

不同FET类型对偏置电压的要求:

(2) 放大区（恒流区、饱和区）

- 与几乎无关，表现为较好的恒流特性。 - 予夹断： - 等效为电压控制电流源 - 放大区的电流方程：

(3) 夹断区（截止区）

- 等效为各极开路

3.1数字逻辑基础

3.1.1数字电路中的编码

二-十进制编码（BCD码）

BCD码是将十进制数中的10个数字分别用一组4位二进制数代替，俗称二-十进制代码（BCD Binary coded number）常用的二-十进制代码如下表所示：

十进制数	8421码	5421码	2421码	余3码	余3循环码
0	0000	0000	0000	0011	0010
1	0001	0001	0001	0100	0110
2	0010	0010	0010	0101	0111
3	0011	0011	0011	0110	0101
4	0100	0100	0100	0111	0100
5	0101	1000	1011	1000	1100
6	0110	1001	1100	1001	1101
7	0111	1010	1101	1010	1111
8	1000	1011	1110	1011	1110
9	1001	1100	1111	1100	1010

符号数的编码表示

原码

$原原数值原数为正数原数值原数为负数$

反码

$原原数值原数为正数原数取反原数为负数$ 3. 补码

一个4位二进制数，它的最大数是10000，那么在这个最大数以内的任何一个数，如0101，它的最大数之间有以下关系，即

$即$

此时，最大数10000称为模，而1011和(-0101)对最大数而言，互为补码（对1011的每一位求反后加1，即课构成它的补码）

$补码最大数$

$补原数值原数为正数原数的补码原数为负数$

格雷码（Gray code）任何相邻的两组代码之间只有一位码元不同，其他码元完全相同。

格雷码示例

格雷码具有循环的效果，所以又有循环码和可靠性编码的叫法。根据格雷码的编码规则，格雷码可以通过反射映射得到，3 位格雷码的反射过程如图 3.1.6 所示。二进制数码 0、1 经第一次反射，得到 2 位格雷码。再经第二次反射，得到 3 位格雷码，依次类推。

3.1.2数字电路中的基本功能电路

1.与逻辑关系

2.与逻辑关系

3.非逻辑关系

4.与非逻辑关系

5.或非逻辑关系

6.与或非逻辑功能

7.异或逻辑功能

8.同或逻辑关系

3.1.3集成逻辑门电路的结构和特性

3.3.1 逻辑电平与噪声容限

3.3.2 TTL集成逻辑门

TTL集成逻辑门

以下PPT来自： B站王文俊【数字电子技术基础】 https://www.bilibili.com/video/BV18Z4y1Q7iq/

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TTL集成门电路的三种输出结构

推拉式结构
集电极开路结构（OC门） OC门只有输出逻辑0和开路（或悬空，高阻）两种状态。为了防止0C门输出逻辑状态不确定,使用时0C门输出必须外接上拉电阻至电源,此时0C门的输出高电平将与所接电源近似相等。 OC门的典型应用如下：
- (1)实现线与的逻辑功能。0C门的输出端可以直接连在一起,共用上拉电阻和电源,实现线与逻辑功能。线与连接的OC门实现了与或非的逻辑功能。如图3.1.39。逻辑表达式为：
- (2)实现两种逻辑电平转换。0C门外接负载所用的电源可以和门电路的电源Vcc一致,也可采用不同于Vc的另一组电源如图3.1.38(a)中的Vcc,以改变或提高输出高电平值,实现逻辑电平的转换。
- (3)实现电平指示。如图3.1.40,0C门外接的上拉电阻中若串联发光二极管,则可作为电平指示。
三态输出结构除了输出高电平1和低电平0以外，还有高阻态输出。是电路的使能控制端。，使能（工作）状态，输出1或0. ，输出高阻状态。