东南大学远程学院数字电子技术基础第七讲主讲教师,刘其奇第二章 门电路
2.1 概述用于 实现基本逻辑运算和符合逻辑运算的单元电路通称门电路。
基本逻辑运算：与、或、非复合逻辑运算：与非、或非、与或非、同或、
异或等正逻辑：高电平 1，低电平 0
负逻辑：高电平 0，低电平 1
1
0 1
0
正逻辑 负逻辑
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1 半导体二极管的开关特性
DV
id
0I
id
DV
VD：二极管两端电压
id,流过二极管电流
（正向电流）
I0：反向漏电流
VT：二极管开启电压
Rd:正向导通区平均内阻硅二极管：
锗二极管：
当加在二极管上的反向电压大于某个值时，反向电流会急剧增加，这个电压称：反向击穿电压。
)( TDTD VVrd VV=id ≥-
)( TD V<V0=id
v70v50V T,,至 ≈
v20V T,≈
二极管具有单向导电性
“开态”等效电路正向 VT加上，二极管导通且钳位 VT。
“关态”等效电路正向电压小于 VT，或反向偏压，二极管处于
“关态”。
TV
二极管反向恢复过程反向恢复过程：二极管由正向导通转为反向截止所需的过渡过程时间。
实际是电荷的存储效应。
两状态转换有一个过程，从导通到截止，或从截止到导通都需要一定时间。这个时间称为二极管开关时间。
截止 —导通：正向开通时间（小）；
导通 —截止：反向恢复时间（大）。
2.2.2 半导体三极管的开关特性
1）双极性三极管开关特性静态特性
BR
CR
CEV
iV Ei
Ci
Bi
CCV
CEV
Ci
饱和区放大区截止区
Vi<0时,Vbe<0,Vbc<0
三极管两个 PN结均处于反偏，只有很小的反向漏电流 Icb0和 Ieb0
三极管处于截止区通常以 Ib=0或 作为导通和截止的分界。
由于 Ic=0，输出电压 VCE=VCC
Tbe VV ≤
*截止区
Vi上升，超过死区电压 0.7V，发射结正偏，
发射区发射电子注入基区,形成 ie。
由于三极管的物理构造，发射区只有少量和基区空穴复合形成 ib，大部分扩散至集电结边界，由于集电结处于反偏，因此可以充分吸收基区到达的电子,形成 ic。
bC iβ=i
*放大区根据克希霍夫第一定律：
bbbe
bce
i+1=i+i=i
i+i=i
)( ββ
节点：流入、流出电流相等放大区特征：
（反偏）
（正偏）
0<V
0>V
iβ=i
bc
be
bc
*饱和区
Vi不断增大,ib,ic,ie均增大。导致
VCE=VCC-icR不断下降。
当 VCE降到 0.7V以下时，三极管集电结由反偏转向正偏此时,ib增加而 ic不再增加。
饱和区特征：;bc ii β≠
集电极和发射极之间呈低阻抗。
硅,VCE =0.3V
锗,VCE =0.1V
以上称为 三极管饱和压降 （固定参数）
发射结、集电结都正偏 ;
VC=VB—集电结零偏，三极管处于 临界饱和点此时,ib=ibs（ ibs临界饱和基极电流）
β≈ β C
CCcs
bs R
Vi=i
（ ics临界饱和集电极电流）
实际上,VC=VB,VBE=0.7V，所以：
C
CC
cs R
70V=i,-
一般情况下，我们忽略 0.7V。
临界饱和东南大学远程学院数字电子技术基础第八讲主讲教师,刘其奇三极管开关等效电路
CE SCE V=V
bsb i>i
bi
ci
ei
CCV
CR
BR CCCE V=V
0=ib
iV B
E
C
电路共发射极“关态”等效
CCV
CR
bR B
E
C
电路共发射极“开态”等效饱和状态也是一种导通状态
be
bc
i+1=i
i=i2
)( β
β）
be
bc
i+1<i
i<i
)( β
β
C
CC
c R
V=i
2）发射结正偏，且超过死区电压（ 0.3或 0.7）
与放大状态的共性：
1） ie,ic,ib都不为零，且 ie=ic+ib
与放大状态不同处：
放大状态 饱和状态
）集电结反偏1 集电结正偏
NPN硅三极管共发射极电路三态条件和特性状态 条 件 特 性
VBE（ v） ib ib ic ie VCE（ v） 发射结偏置 集电结偏置截止 <0.7 0 0 0 0 VCC 反或正 <VT 反放大 0.7 <ibs ib:ic:ie VCC~0.7V 正 反
=1:?:(1+?)
饱和 0.7 >ibs ib>ibs 0.3 正 反
ic<?ib
ie<(1+?)ib
三极管动态传输特性
CSi90.
CSi10.
CSi
Ci
t
t
CV
CCV
CESV
t
CCV
iV
1）,延迟时间 td,从输入 Vi上跳沿到集电极电流 iC上升到 0.1iCS
所需时间。
2）：上升时间 tr,iC从 0.1iCS上升到 0.9iCS所需时间。
3）：存储时间 ts,从输入 Vi下跳沿到 0.9iCS所需时间。
4）：下降时间 tf,iC从 0.9iCS下降到 0.1iCS所需时间。
开通时间：
ton=td+tr
关断时间：
toff=ts+tf
2） MOS管的开关特性
*MOS管结构
+N +N
（衬底）P
漏极
D
栅极源极漏区源区
GS
2iOS
铝
P型硅衬底两边有两个高浓度的 N区；
两个 N区用二氧化硅隔离；
二氧化硅引出 栅极 G；
两个 N区分为源区和漏区，
分别引出 源极 S和 漏极 D；
衬底引出 基极 B,又称基片。
*MOS管导电通路
+N +N
（衬底）P
D
G
S
GSV
DSV
DSi
B
型导电沟道N
当栅极不加电压源极和漏极之间不存在导电沟道；
源极和漏极相当于两个背靠背的
PN结，不论源漏两极间加什么极性电压，总有一个 PN结反偏。
此时,MOS管处于截止状态
（高阻抗）。
N P N
+N +N
（衬底）P
D
G
S
GSV
DSV
DSi
B
型导电沟道N
当栅极和源极之间加正向电压
VGS
当 VGS大于 VGS（ th） 时使栅极和衬底之间产生很强的电场（表面场效应），形成 N型导电沟道，将两个 N+区连成一体。（器件处于低阻导通状态）
在导通情况下，在 D,S之间加上正向电压 VDS，
形成漏源电流 iDS。
iDS回路：漏极?沟道?源极?VDS负载?漏极
*MOS管特性曲线和参数
G
D
B
S
G
D
B
SGSV
Di
DSV
+
_
共源连接输入特性（变形）
TV GSV
DSi
在漏源电压 VDS一定的条件下，漏源电流 iDS随栅源电压 VGS变化曲线
VGS较小，产生的静电场较小，导电沟道未形成,iDS为 0,MOS管处于截止状态；
VGS增大，开始出现 iDS。此时的 VGS称为开启电压记为 VT或 VGS（ th） ；
随 VGS增大，沟道电阻迅速减小 iDS增加，
MOS管进入导通状态。
输出特性
1GSV
2GSV
3GSV
4GSV
截止区
DSV
Di
临界线饱和区非饱和区
VGS一定条件下,iDS随 VDS变化曲线
VGS<VT以下区域为 MOS管截止区，漏源之间只有很小的漏电流；
VGS>VT且为某一固定值时,iDS随 VDS增加，直到到达某一个临界点,iDS不再随
VDS增加而 明显增加,进入平坦部分，这个区域称为饱和区（恒流区）；
将各种栅源电压临界点连接起来，形成临界线，临界线左边是非饱和区（可变电阻区）。T=1GS VV
作开关运用时,MOS管主要工作在 截止区 和 非饱和区
*MOS管基本开关电路
G
D
B
SIV
Di
OV
+
_
DDV+
+
_
DR
VI=VGS<VT时,MOS管处于截止区，由于 RD远远小于截止内阻 ROFF，所以：
VOH=VDD,MOS管输出高电平；
VI=VGS>VT,MOS处于导通状态，此时漏源电流：
RON,MOS管导通时的漏源电阻输出电压：
若 RON<<RD，则 VO=0V。
OND
DD
DS R+R
V=i
OND
ONDD
O R+R
R?V=V
MOS管反向器
*MOS管的四种类型
（ 1） N沟道增强型
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
以 P型材料为衬底，感生出 N沟道；
以 N 型材料为衬底，感生出 P沟道。
N沟道 MOS管，正电压供电；
P沟道 MOS管，负电压供电。
东南大学远程学院数字电子技术基础第九讲主讲教师,刘其奇
（ 2） N沟道耗尽型
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
增强型：零栅压时，没有导电沟道产生，只有栅源电压达到开启电压，才感生出导电沟道。
耗尽型：零栅压时，已有导电沟道存在。
（ 3） P沟道增强型
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
0
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
0
（ 4） P沟道耗尽型
2.3 最简单的与、或、非门电路
2.3.1 二极管与门
CCV
B
A
A/v B/v Y/v
0 0 0.7
0 3 0.7
3 0 0.7
3 3 3
& YBA
2.3.2 二极管或门
A/v B/v Y/v
0 0 0
0 3 2.3
3 0 2.3
3 3 2.3
1 Y
B
A
R
Y
B
A
2.3.3 三极管非门
BR
CR
CEV
iV Ei
Ci
Bi
CCV
当输入为低电平时，三极管处于截止状态。
iCE V=V
CCCE V=V
当输入为高电平时，三极管处于饱和状态。
CE SCE V=V
例题 1：
V10+
V20-
k10
k10
AV
1I
DI
2I
假设 D不存在，得：
V5=10×10+10 201010=V A ---- )(
D反向截止,ID=-0.1mAD
根据基尔霍夫定律：
30=I10+I10
I+I=I
21
D21
求得,I1=1.45mA,I2=1.55mA
受 D影响,VA=10-10*1.45=-4.5V
例题 2（ D1,D2为硅二极管）：
1I
1DI
2I
2DI
V10+
V2-
k10
k10
AV1D
V3 2D
假设 D1,D2不存在，得：
V4=10×10+10 21010=V A )( ---
D1,D2均可以导通，由于 D1压降大，首先导通，迫使 VA钳位
0.7V，使得 D2截止。
0=I 2D
mA930=107010=I 1,/).( -
mA270=10270=I 2,/))(.( --
mA660=270930=II=I 211D,.,--
k33R1,
k1RC
OV
iV
V5+VCC
k10
R2
Y
V8-
A
输入 0V，
A点电位 =
三极管处于截止状态；
输入 5V，
A点电位 =
三极管处于导通状态； A点电位被钳位在 0.7V
V981=33×10+33 8+00,.,--
V771=33×10+33 8+55,..-bi1i
2i
mA430=870301=
k10
8+70
k33
705=ii=i
21b
...
.
.
.
-
---
mA2450=
20
94
=
i
=i
mA94=
k1
105
=i
CS
bS
CS
.
.
.
.
β
-
ib>ibS，三极管处于饱和导通电路设计合理。
三极管非门如图已知,VCE=0.1V,?=20，输入高、
低电平为 5V,0V，电路设计是否合理。
2.1 概述用于 实现基本逻辑运算和符合逻辑运算的单元电路通称门电路。
基本逻辑运算：与、或、非复合逻辑运算：与非、或非、与或非、同或、
异或等正逻辑：高电平 1，低电平 0
负逻辑：高电平 0，低电平 1
1
0 1
0
正逻辑 负逻辑
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1 半导体二极管的开关特性
DV
id
0I
id
DV
VD：二极管两端电压
id,流过二极管电流
（正向电流）
I0：反向漏电流
VT：二极管开启电压
Rd:正向导通区平均内阻硅二极管：
锗二极管：
当加在二极管上的反向电压大于某个值时，反向电流会急剧增加，这个电压称：反向击穿电压。
)( TDTD VVrd VV=id ≥-
)( TD V<V0=id
v70v50V T,,至 ≈
v20V T,≈
二极管具有单向导电性
“开态”等效电路正向 VT加上，二极管导通且钳位 VT。
“关态”等效电路正向电压小于 VT，或反向偏压，二极管处于
“关态”。
TV
二极管反向恢复过程反向恢复过程：二极管由正向导通转为反向截止所需的过渡过程时间。
实际是电荷的存储效应。
两状态转换有一个过程，从导通到截止，或从截止到导通都需要一定时间。这个时间称为二极管开关时间。
截止 —导通：正向开通时间（小）；
导通 —截止：反向恢复时间（大）。
2.2.2 半导体三极管的开关特性
1）双极性三极管开关特性静态特性
BR
CR
CEV
iV Ei
Ci
Bi
CCV
CEV
Ci
饱和区放大区截止区
Vi<0时,Vbe<0,Vbc<0
三极管两个 PN结均处于反偏，只有很小的反向漏电流 Icb0和 Ieb0
三极管处于截止区通常以 Ib=0或 作为导通和截止的分界。
由于 Ic=0，输出电压 VCE=VCC
Tbe VV ≤
*截止区
Vi上升，超过死区电压 0.7V，发射结正偏，
发射区发射电子注入基区,形成 ie。
由于三极管的物理构造，发射区只有少量和基区空穴复合形成 ib，大部分扩散至集电结边界，由于集电结处于反偏，因此可以充分吸收基区到达的电子,形成 ic。
bC iβ=i
*放大区根据克希霍夫第一定律：
bbbe
bce
i+1=i+i=i
i+i=i
)( ββ
节点：流入、流出电流相等放大区特征：
（反偏）
（正偏）
0<V
0>V
iβ=i
bc
be
bc
*饱和区
Vi不断增大,ib,ic,ie均增大。导致
VCE=VCC-icR不断下降。
当 VCE降到 0.7V以下时，三极管集电结由反偏转向正偏此时,ib增加而 ic不再增加。
饱和区特征：;bc ii β≠
集电极和发射极之间呈低阻抗。
硅,VCE =0.3V
锗,VCE =0.1V
以上称为 三极管饱和压降 （固定参数）
发射结、集电结都正偏 ;
VC=VB—集电结零偏，三极管处于 临界饱和点此时,ib=ibs（ ibs临界饱和基极电流）
β≈ β C
CCcs
bs R
Vi=i
（ ics临界饱和集电极电流）
实际上,VC=VB,VBE=0.7V，所以：
C
CC
cs R
70V=i,-
一般情况下，我们忽略 0.7V。
临界饱和东南大学远程学院数字电子技术基础第八讲主讲教师,刘其奇三极管开关等效电路
CE SCE V=V
bsb i>i
bi
ci
ei
CCV
CR
BR CCCE V=V
0=ib
iV B
E
C
电路共发射极“关态”等效
CCV
CR
bR B
E
C
电路共发射极“开态”等效饱和状态也是一种导通状态
be
bc
i+1=i
i=i2
)( β
β）
be
bc
i+1<i
i<i
)( β
β
C
CC
c R
V=i
2）发射结正偏，且超过死区电压（ 0.3或 0.7）
与放大状态的共性：
1） ie,ic,ib都不为零，且 ie=ic+ib
与放大状态不同处：
放大状态 饱和状态
）集电结反偏1 集电结正偏
NPN硅三极管共发射极电路三态条件和特性状态 条 件 特 性
VBE（ v） ib ib ic ie VCE（ v） 发射结偏置 集电结偏置截止 <0.7 0 0 0 0 VCC 反或正 <VT 反放大 0.7 <ibs ib:ic:ie VCC~0.7V 正 反
=1:?:(1+?)
饱和 0.7 >ibs ib>ibs 0.3 正 反
ic<?ib
ie<(1+?)ib
三极管动态传输特性
CSi90.
CSi10.
CSi
Ci
t
t
CV
CCV
CESV
t
CCV
iV
1）,延迟时间 td,从输入 Vi上跳沿到集电极电流 iC上升到 0.1iCS
所需时间。
2）：上升时间 tr,iC从 0.1iCS上升到 0.9iCS所需时间。
3）：存储时间 ts,从输入 Vi下跳沿到 0.9iCS所需时间。
4）：下降时间 tf,iC从 0.9iCS下降到 0.1iCS所需时间。
开通时间：
ton=td+tr
关断时间：
toff=ts+tf
2） MOS管的开关特性
*MOS管结构
+N +N
（衬底）P
漏极
D
栅极源极漏区源区
GS
2iOS
铝
P型硅衬底两边有两个高浓度的 N区；
两个 N区用二氧化硅隔离；
二氧化硅引出 栅极 G；
两个 N区分为源区和漏区，
分别引出 源极 S和 漏极 D；
衬底引出 基极 B,又称基片。
*MOS管导电通路
+N +N
（衬底）P
D
G
S
GSV
DSV
DSi
B
型导电沟道N
当栅极不加电压源极和漏极之间不存在导电沟道；
源极和漏极相当于两个背靠背的
PN结，不论源漏两极间加什么极性电压，总有一个 PN结反偏。
此时,MOS管处于截止状态
（高阻抗）。
N P N
+N +N
（衬底）P
D
G
S
GSV
DSV
DSi
B
型导电沟道N
当栅极和源极之间加正向电压
VGS
当 VGS大于 VGS（ th） 时使栅极和衬底之间产生很强的电场（表面场效应），形成 N型导电沟道，将两个 N+区连成一体。（器件处于低阻导通状态）
在导通情况下，在 D,S之间加上正向电压 VDS，
形成漏源电流 iDS。
iDS回路：漏极?沟道?源极?VDS负载?漏极
*MOS管特性曲线和参数
G
D
B
S
G
D
B
SGSV
Di
DSV
+
_
共源连接输入特性（变形）
TV GSV
DSi
在漏源电压 VDS一定的条件下，漏源电流 iDS随栅源电压 VGS变化曲线
VGS较小，产生的静电场较小，导电沟道未形成,iDS为 0,MOS管处于截止状态；
VGS增大，开始出现 iDS。此时的 VGS称为开启电压记为 VT或 VGS（ th） ；
随 VGS增大，沟道电阻迅速减小 iDS增加，
MOS管进入导通状态。
输出特性
1GSV
2GSV
3GSV
4GSV
截止区
DSV
Di
临界线饱和区非饱和区
VGS一定条件下,iDS随 VDS变化曲线
VGS<VT以下区域为 MOS管截止区，漏源之间只有很小的漏电流；
VGS>VT且为某一固定值时,iDS随 VDS增加，直到到达某一个临界点,iDS不再随
VDS增加而 明显增加,进入平坦部分，这个区域称为饱和区（恒流区）；
将各种栅源电压临界点连接起来，形成临界线，临界线左边是非饱和区（可变电阻区）。T=1GS VV
作开关运用时,MOS管主要工作在 截止区 和 非饱和区
*MOS管基本开关电路
G
D
B
SIV
Di
OV
+
_
DDV+
+
_
DR
VI=VGS<VT时,MOS管处于截止区，由于 RD远远小于截止内阻 ROFF，所以：
VOH=VDD,MOS管输出高电平；
VI=VGS>VT,MOS处于导通状态，此时漏源电流：
RON,MOS管导通时的漏源电阻输出电压：
若 RON<<RD，则 VO=0V。
OND
DD
DS R+R
V=i
OND
ONDD
O R+R
R?V=V
MOS管反向器
*MOS管的四种类型
（ 1） N沟道增强型
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
以 P型材料为衬底，感生出 N沟道；
以 N 型材料为衬底，感生出 P沟道。
N沟道 MOS管，正电压供电；
P沟道 MOS管，负电压供电。
东南大学远程学院数字电子技术基础第九讲主讲教师,刘其奇
（ 2） N沟道耗尽型
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
增强型：零栅压时，没有导电沟道产生，只有栅源电压达到开启电压，才感生出导电沟道。
耗尽型：零栅压时，已有导电沟道存在。
（ 3） P沟道增强型
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
0
G
D
B
S
GSV
DSi
TV
0
（ 4） P沟道耗尽型
2.3 最简单的与、或、非门电路
2.3.1 二极管与门
CCV
B
A
A/v B/v Y/v
0 0 0.7
0 3 0.7
3 0 0.7
3 3 3
& YBA
2.3.2 二极管或门
A/v B/v Y/v
0 0 0
0 3 2.3
3 0 2.3
3 3 2.3
1 Y
B
A
R
Y
B
A
2.3.3 三极管非门
BR
CR
CEV
iV Ei
Ci
Bi
CCV
当输入为低电平时，三极管处于截止状态。
iCE V=V
CCCE V=V
当输入为高电平时，三极管处于饱和状态。
CE SCE V=V
例题 1：
V10+
V20-
k10
k10
AV
1I
DI
2I
假设 D不存在，得：
V5=10×10+10 201010=V A ---- )(
D反向截止,ID=-0.1mAD
根据基尔霍夫定律：
30=I10+I10
I+I=I
21
D21
求得,I1=1.45mA,I2=1.55mA
受 D影响,VA=10-10*1.45=-4.5V
例题 2（ D1,D2为硅二极管）：
1I
1DI
2I
2DI
V10+
V2-
k10
k10
AV1D
V3 2D
假设 D1,D2不存在，得：
V4=10×10+10 21010=V A )( ---
D1,D2均可以导通，由于 D1压降大，首先导通，迫使 VA钳位
0.7V，使得 D2截止。
0=I 2D
mA930=107010=I 1,/).( -
mA270=10270=I 2,/))(.( --
mA660=270930=II=I 211D,.,--
k33R1,
k1RC
OV
iV
V5+VCC
k10
R2
Y
V8-
A
输入 0V，
A点电位 =
三极管处于截止状态；
输入 5V，
A点电位 =
三极管处于导通状态； A点电位被钳位在 0.7V
V981=33×10+33 8+00,.,--
V771=33×10+33 8+55,..-bi1i
2i
mA430=870301=
k10
8+70
k33
705=ii=i
21b
...
.
.
.
-
---
mA2450=
20
94
=
i
=i
mA94=
k1
105
=i
CS
bS
CS
.
.
.
.
β
-
ib>ibS，三极管处于饱和导通电路设计合理。
三极管非门如图已知,VCE=0.1V,?=20，输入高、
低电平为 5V,0V，电路设计是否合理。
