数字电路基本门的工作原理

Posted 2020-11-21 ycc1997

半导体

什么是半导体

半导体（semiconductor）

　　半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

硅元素

高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半导体；掺入微量的第VA族元素，形成n型和p型半导体结合在一起，就可以完成辐射能电能相互转化的装置。

掺杂

掺杂是在硅中加入一些元素形成空穴或自由电子的过程。

N型硅（Negative）

 

如果在硅中加入P元素，P和Si形成共价键而P的第五个价电子没有被共价键束缚，在原子周围游荡。

如果一个电压加到Si-P混合物，这个电子将会受到电场力穿过掺杂的硅片向电势高的地方移动。

P型硅(Positive)

 

如果在硅片中加入B元素，那么B和Si结合形成共价键，而B只有3个价电子，所以会形成空穴。

如果在这种晶片上施加电压，那么相邻电子在受到电场力的作用下来补上空穴，使得空穴向电势低的方向移动。

二极管

PN结二极管的工作原理

 

 

正向偏置

　　当二极管的P极连接到一个电池的正极，N连接到该电池的负极，此时N型区的电子和P型区的空穴受到电场作用向PN结推进，电子与空穴结合，电流通过二极管。

反向偏置

　　当二极管的P极连接到一个电池的负极，N连接到该电池的正极，此时N型区的电子和P型区的空穴受到电场作用向两端分离，阻隔电流通过二极管。

双极型晶体管

双极型晶体管是三端器件，可以用做开关或放大器。

双极型晶体管的工作原理

 

 

 

 

 

 

 以NPN型晶体管为例：

　　当在C端施加一个正向电压，E极接地后，由于受到电场作用，C端N型硅的负电子向C端聚集，中间的P型硅的空穴向E端聚集，此时中间形成一个激发电场，和原电场大小相等方向相反，互相抵消，所以E端N型硅的电子不会受到电场作用（图左所示）。

 　　此时若在BE极施加一个正向电压（至少0.6v），额外的电场将会使得E极N型硅的电子向P型硅聚集，越过空穴，形成电流（图左所示）。

MOS晶体管实现基本门

 

 

nMOS晶体管的工作原理

当在Gate端施加电压VDD时，受到电场的作用，在两个N型硅的中间聚集了许多电子，形成了一个有自由电子的通道Channel，此时在Source和drain施加电压，电子便在Channel的辅助下形成电流。

PMOS晶体管的工作原理

和nMOS工作机制正好对称，pMOS的Substrate的电压为VDD，此时Channel部分形成空穴管道，在Source和drain两端的电势差作用下，形成电流。

CMOS非门

 

 CMOS与非门

 

 CMOS或非门

 

CMOS传送门

 

 

 其他的基本门根据布尔代数运算符的完备性可以用NOT和NAND或NOT和NOR电路组合来实现。

参考资料

[1] 数字设计和计算机体系结构 2ed

[2] Practical Electronics for Inventors 5ed