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半导体电路的最小单元: 晶体管

晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件, 包括各种半导体材料制成的二极管, 三极管, 场效应管, 可控硅等. 这里我们简单介绍一下二极管, MOS管, CMOS 和三极管, 主要介绍它们是如何构成最基本的逻辑门电路的.

二极管

逻辑代数基础中我们提到, AND 和 NOT 可以构成一个通用门集合. 不过仅使用二极管可以构造出 AND 和 OR, 却无法构造出NOT. 所以单纯使用二极管是无法构造出通用门集合的.

用二极管构造的与门

用二极管构造的或门

AND_OR_WithDiode for iCircuit

MOS管

MOS管是场效应管 (Field-Effect Transistor) 的一种, 全称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) . 如下图所示为N沟道增强型MOS管的结构和符号. N沟道增强型MOS管由P型半导体衬底B和两个高掺杂浓度的N型区组成 (Semiconductor) . 两个N型区分别作为源极S(Source)和漏极D(Drain). 第三个电极称为栅极G (Gate) , 通常用金属铝或多晶硅制作 (Metal-Oxide) . 栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔开, 绝缘层的厚度极薄, 在0.1um以内. 增强型又是什么意思呢?
对于一个二极管, 或者说PN结, 要将其导通, 需要P接正极, N接负极. 而当G, B和S接GND, D接VCC时, 由于S和D之间构成的是一个NPN的两个PN接背向串联的结构, 是无法导通的. 为了将其导通, 必须在S和N之间建立起一个载流子定向移动的有效通道. 为了实现这个目标, 我们只需要提高G处的电压到一定的值, 使得 VGS > VGS(th), 吸引足够多的衬底中的少数载流子–电子, 聚集在栅极下面的衬底表面, 形成一个N型的反型层. 在这个反型层中, 电子的浓度得到了提高, 成为了这个小区域中的多子, 这里即有“增强”的意味. VGS(th)称为开启电压, 当VGS大于这个电压时, D和S导通.
除了N沟道增强型, 还有P沟道增强型, 如下图所示, 同样是通过使得VGS的绝对值大于VGS(th), 将原来少子的空穴转换为多子, 从而使得S和D导通. 除此之外还有N沟道耗尽型和P沟道耗尽型, 这里不作介绍, 和增强型的MOS管差不多, 只是思路变成了转换多子为少子.

MOS管的开关特性

虽然MOS管的输入输出特性有所谓的截止区, 可变电阻区和恒流区, 但是为了快速了解, 这里不作介绍. 我们关键要记住什么情况下MOS管导通, 什么情况下截止.

图示 如何从图示判断 开启条件
N沟道增强型 diode_mos_cmos_triode_5.jpg 1. 有箭头进出的为衬底B
2.箭头指向衬底的为N型, 从衬底出发的为P型, 箭头的指向代表了电子的运动方向
3.和衬底有连线的为源极S
4. 左侧直角标志表示栅极G, 直角处附近的小横线表示源极S
5.剩下的那个电极就是漏极D了
VGS 大于 VGS(th)
P沟道增强型 diode_mos_cmos_triode_6.jpg |VGS| 大于 |VGS(th)|
注意: VGS=VG-VS

对于N沟道增强型, 我们发现, 在如下图所示的电路中, 当G为高电平时, D和S导通, v0为低电平, 当G为低电平时, D和S截止, v0为高电平. 这其实就是一个NOT, 但是这样使用在实际中功耗偏大, 所以一般不会这样使用. 而是利用N沟道增强型和P沟道增强型组成CMOS反相器.

CMOS管

CMOS管的全称为互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor) . 如下图所示为CMOS的结构示意图, 这里就不再详细介绍, 感兴趣的同学可以查阅相关书籍.

这里我们只需要记住一点:
当VSS=GND, VDD=VDD时, vi和vo构成逻辑非的关系.

其他类型的CMOS门电路 (了解)

CMOS与非门 CMOS或非门 带缓冲器的CMOS与非门 通过在输入端和输出端分别增加一层反相器作为缓冲, 解决不同工作状态下输入输出特性不同的问题. 带缓冲器的CMOS或非门 漏极开路输出门电路 (OD门) CMOS传输门 传输门的作用是控制信号的通过与不通过, 当C=0而C'=1时, 不通过, 当C=1而C'=0时, 通过, vo=vi. 三态输出的CMOS反相器 三态输出相比普通的CMOS反相器多了一个使能端. 图示的三态输出的使能端为负逻辑, 当EN'=0时, 使能, 与普通CMOS反相器无异;当EN'=1时, 禁用, 输出呈现出高阻态.

三极管与TTL电路 (了解)

双极型三极管除了用来做放大器, 还可以用来做逻辑门, 与CMOS相比, 三极管构成的TTL电路主要用在高速电路的设计中.
如下图所示, (a)为NPN型三极管, (b)为PNP型三极管. 三极管和TTL电路的分析更加复杂, 这里不作具体解释. 感兴趣的同学可以查阅相关书籍.

TTL反相器

这里提供一个用于iCircuit的TTL反相器的文件供学习参考.
分析的时候, 有时候可以采取如下的近似处理手段, 对于NPN型三极管, 可以等效为两个P端连接在一起的二极管.

其他TTL电路

TTL与非门 多发射极三极管, 或非门电路, 与或非门电路 TTL异或门电路 集电极开路输出 TTL三态输出

diode_mos_cmos_triode.txt · Last modified: 2019/01/07 20:22 by daizhirui