第三章 集成逻辑门
本章主要介绍以下内容：
? 晶体管的开关特性
? TTL集成逻辑门
? CMOS电路
对发射极耦合逻辑（ ECL）和 MOS逻辑
门电路作一般性介绍。
第一节 晶体管开关特性
数字电路的基本细胞是晶体管，数字电路是
由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作
特性实际上取决于晶体管的特性。
在数字电路中晶体管工作在开关状态，本章
将简要介绍晶体管的开关特性，并介绍二极管限
幅器、钳位器，三极管反相器。
一,PN 结特性
（一）,PN结的构成
半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空
穴的浓度各不相同。 浓度大的称为多数载流子，浓度小
的称为少数载流子。
多子为电子的是 N型材料；多子为空穴的是 P型材料。
晶体二极管和三极管由 P型和 N型半导体材料复合而
成,P型和 N型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。
二极管有一个结，三极管有两个结。
（二）、扩散电流和漂移电流
扩散电流,由于 PN结两边载流子的 浓度差别,载流子
会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，
它产生扩散电流。
漂移电流,由于 电位差的存在,载流子在电场的作用下
产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。
电位差来自 外加电压 和电荷积累构成的 内电场 。
流过 PN结的 总电流 = 扩散电流 + 漂移电流
（三）、外加电压对 PN结的影响
PN结的通断，流过 PN结的电流大小，与 PN 结处的少
子浓度有关，而少子浓度直接受 PN结外加电压的影响，
因此我们分析一下外加电压的几种情况：
无外加电压, 浓度造成的扩散和内电场造成的漂移
达到动态平衡,PN结面的净电荷为零,PN结没有电流流
过。
外加正向电压,外加电场克服内电场，其形成的少子
运动与扩散运动一致,PN结处少子浓度加大，有较大电
流流过 PN结。
外加反向电压,加强了内电场，抑制了扩散运动，
PN结处少子浓度很低，只有很小的反向电流。
三种情况下的少子浓度分布图见书。
这可用中俄边贸的情况作个比喻。
（四）,PN结的电容效应
PN 复合结构可细 分为两部分,接合部附近称为结，
也叫 空间电荷区 。 结两边的区域称为 扩散区 。
在上述两区域内，离子电荷、载流子浓度随外加电
压的变化而变化，是影响 PN结电流电压特性的根本原因。
这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。 空间
电荷区等效为位垒电容，扩散区等效为扩散电容。
了解 PN结内部的变化过程，对理解二极管的开关特
性具有重要意义。
二,晶体二极管的开关特性
二极管（就是一个 PN结）具有单向导电性，理想二
极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有
一些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。
（一）、二极管稳态开关特性 i = Is ( e q v / ( k T ) - 1 )
v=0时 I=0；
v为负时,I= - Is
v为正时，
I=Is e q v / ( k T )
理想 /实际 二极管,
导通：端电压 =0 / VD
截止,I = 0 / -IS
（二）、瞬态开关特性
二极管瞬态开关特性的细节, 同学们自己
再看一看，主要问题是：
? 反向恢复时间 是 影响二极管开关特性的 主要因素,正向
恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的 原因是 电
荷存储效应（外加正向电压时，非平衡 少子的积累 ）。
? 反向恢复时间与哪些因素有关？
? t r t s t f 的定义？
（三 ）、晶体二极管开关参数
自己看书，应知道有哪些主要参数，它们的物理意义
取值的大致范围。比如,最大正向电流, 最大反向电压,
反向电流 和 反向恢复时间 等。
三,晶体二极管限幅器及钳位器
（一）、二极管限幅器 （掐头去尾）
利用二极管的单向导通特性，限制某些信号的通过 。
1、串联限幅电路
串联限幅电路是指二极管处于与输入、输出首尾相连。
可以上限幅、下限幅和双限幅。
串联下限幅电路
可调整限幅电平的下限幅电路
串联双限幅电路
V2 > V1
理想二极管
2、并联限幅电路
二极管处于与输出、输入相并的状态。
并联下限幅电路
限幅电平可调的并联下限幅电路
双限幅的另一个例子是输入保护二极管限幅。
并联双限幅电路
上述限幅器都假定二极管为理想二极管，限幅电路
的 实际输出波形会差一些 。比如：
二极管正向 导通电阻不为 0,输出电压 幅度 会由于分压而 减小 。
二极管反向 截止电流不为 0，且 有结电容 输出电压会有 残留波形 。
输出端容性负载或分布电容，对输出波形的影响：
充电电阻小，放电电阻大
对后沿影响较大。
（二）、二极管钳位器 （挪上搬下）
钳位器的作用是将输入波形的顶部或底部搬移到某
一电平处，不剪裁波形。
本章主要介绍以下内容：
? 晶体管的开关特性
? TTL集成逻辑门
? CMOS电路
对发射极耦合逻辑（ ECL）和 MOS逻辑
门电路作一般性介绍。
第一节 晶体管开关特性
数字电路的基本细胞是晶体管，数字电路是
由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作
特性实际上取决于晶体管的特性。
在数字电路中晶体管工作在开关状态，本章
将简要介绍晶体管的开关特性，并介绍二极管限
幅器、钳位器，三极管反相器。
一,PN 结特性
（一）,PN结的构成
半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空
穴的浓度各不相同。 浓度大的称为多数载流子，浓度小
的称为少数载流子。
多子为电子的是 N型材料；多子为空穴的是 P型材料。
晶体二极管和三极管由 P型和 N型半导体材料复合而
成,P型和 N型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。
二极管有一个结，三极管有两个结。
（二）、扩散电流和漂移电流
扩散电流,由于 PN结两边载流子的 浓度差别,载流子
会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，
它产生扩散电流。
漂移电流,由于 电位差的存在,载流子在电场的作用下
产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。
电位差来自 外加电压 和电荷积累构成的 内电场 。
流过 PN结的 总电流 = 扩散电流 + 漂移电流
（三）、外加电压对 PN结的影响
PN结的通断，流过 PN结的电流大小，与 PN 结处的少
子浓度有关，而少子浓度直接受 PN结外加电压的影响，
因此我们分析一下外加电压的几种情况：
无外加电压, 浓度造成的扩散和内电场造成的漂移
达到动态平衡,PN结面的净电荷为零,PN结没有电流流
过。
外加正向电压,外加电场克服内电场，其形成的少子
运动与扩散运动一致,PN结处少子浓度加大，有较大电
流流过 PN结。
外加反向电压,加强了内电场，抑制了扩散运动，
PN结处少子浓度很低，只有很小的反向电流。
三种情况下的少子浓度分布图见书。
这可用中俄边贸的情况作个比喻。
（四）,PN结的电容效应
PN 复合结构可细 分为两部分,接合部附近称为结，
也叫 空间电荷区 。 结两边的区域称为 扩散区 。
在上述两区域内，离子电荷、载流子浓度随外加电
压的变化而变化，是影响 PN结电流电压特性的根本原因。
这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。 空间
电荷区等效为位垒电容，扩散区等效为扩散电容。
了解 PN结内部的变化过程，对理解二极管的开关特
性具有重要意义。
二,晶体二极管的开关特性
二极管（就是一个 PN结）具有单向导电性，理想二
极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有
一些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。
（一）、二极管稳态开关特性 i = Is ( e q v / ( k T ) - 1 )
v=0时 I=0；
v为负时,I= - Is
v为正时，
I=Is e q v / ( k T )
理想 /实际 二极管,
导通：端电压 =0 / VD
截止,I = 0 / -IS
（二）、瞬态开关特性
二极管瞬态开关特性的细节, 同学们自己
再看一看，主要问题是：
? 反向恢复时间 是 影响二极管开关特性的 主要因素,正向
恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的 原因是 电
荷存储效应（外加正向电压时，非平衡 少子的积累 ）。
? 反向恢复时间与哪些因素有关？
? t r t s t f 的定义？
（三 ）、晶体二极管开关参数
自己看书，应知道有哪些主要参数，它们的物理意义
取值的大致范围。比如,最大正向电流, 最大反向电压,
反向电流 和 反向恢复时间 等。
三,晶体二极管限幅器及钳位器
（一）、二极管限幅器 （掐头去尾）
利用二极管的单向导通特性，限制某些信号的通过 。
1、串联限幅电路
串联限幅电路是指二极管处于与输入、输出首尾相连。
可以上限幅、下限幅和双限幅。
串联下限幅电路
可调整限幅电平的下限幅电路
串联双限幅电路
V2 > V1
理想二极管
2、并联限幅电路
二极管处于与输出、输入相并的状态。
并联下限幅电路
限幅电平可调的并联下限幅电路
双限幅的另一个例子是输入保护二极管限幅。
并联双限幅电路
上述限幅器都假定二极管为理想二极管，限幅电路
的 实际输出波形会差一些 。比如：
二极管正向 导通电阻不为 0,输出电压 幅度 会由于分压而 减小 。
二极管反向 截止电流不为 0，且 有结电容 输出电压会有 残留波形 。
输出端容性负载或分布电容，对输出波形的影响：
充电电阻小，放电电阻大
对后沿影响较大。
（二）、二极管钳位器 （挪上搬下）
钳位器的作用是将输入波形的顶部或底部搬移到某
一电平处，不剪裁波形。
