2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体二极管的开关特性

半导体二极管的开关特性 对于图3.2.1所示二极管开关电路，由于二极管具有单向导电性，故它可相当受外加电压控制的开关。 设vi的高电平为VIH＝VCC， vi的低电平为VIL＝0，且D为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大，则稳态时当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压vD＝VOH＝ VCC 将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性 图3.2.1 二极管的开关电路 半导体二极管的开关特性 门电路 内容提要： 本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等，为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点讨论TTL门电路和CMOS门电路。 3 3.1 概述 1. 门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等 (1) 正逻辑： 在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑“1” ，低电平表示逻辑“0” ，在这种规定下的逻辑关系称为正逻辑，如图3.1.1所示 2. 正负逻辑系统 图3.1.1 正负逻辑示意图 (2) 负逻辑： 在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑“0” ，低电平表示逻辑“1” ，在这种规定下的逻辑关系称为负逻辑，如图3.1.1所示。 3.1 概述 图3.1.1 正负逻辑示意图 同一逻辑电路采用不同的逻辑关系，其逻辑功能是完全不同的，如表3.1.1正负逻辑对应的逻辑电路 由表中可以看出 正负逻辑式互为对偶式，即若给出一个正逻辑的逻辑式，则对偶式即为负逻辑的逻辑式，如正逻辑为或门，即Y=A+B，对偶式为YD＝AB。正负逻辑的使用依个人的习惯，但同一系统中采用一种逻辑关系，本书采用正逻辑 3.1 概述 3. 高低电平的实现 在数字电路中，输入输出都是二值逻辑，其高低电平用“0”和“1”表示。其高低电平的获得是通过开关电路来实现，如二极管或三极管电路组成。如图3.1.2所示。 图3.1.2 高低电平实现原理电路 3.1 概述 其原理为： 当开关S断开时，输出电压vo＝Vcc，为高电平“1”；当开关闭合时，输出电压vo＝0，为低电平“0”；若开关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状态，就相当开关S的断开和闭合。 图3.1.2高低电平实现原理电路 3.1 概述 单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路（如CMOS门电路），即用一个管子代替图3.1.2中的电阻，如图3.1.3所示 互补开关电路的原理为 3.1 概述 开关S1和S2受同一输入信号vI的控制，而且导通和断开的状态相反。当S1闭合时，S2断开，输出为高电平“1”；相反当S1断开时，S2闭合，输出为高电平“0”。 互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字电路中得到广泛的应用 4. 数字电路的概述 3.1 概述 （1）优点： 图3.1.1 正负逻辑示意图 在数字电路中由于采用高低电平，并且高低电平都有一个允许的范围，如图3.1.1所示，故对元器件的精度和电源的稳定性的要求都比模拟电路要低，抗干扰能力也强。 (2) 分类： 3.1 概述 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路：分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工艺集成在很小的半导体芯片上。 数字集成电路根据规模可分为 ≤100/片 （100～1000）/片 103~ 105 /片 105 以上/片 按导电类型可分为 3.1 概述 数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、工作原理 $