1、第 3 章 CMOS门电路,孙卫强,2/32,继电器逻辑电路,20世纪30年代，贝尔实验室第一部二进制加法器(1937)和后来的复数运算器(1940)，采用继电器逻辑（Relay Logic）,3/39,简单的回顾,按照使用器件技术的不同，数字逻辑电路可以分为： 继电器逻辑电路：RL逻辑电路 双极型晶体管电路：TTL逻辑电路，ECL电路 单极型MOS电路：NMOS，PMOS和CMOS等 常用的是TTL和CMOS电路 本世纪80年代开始，CMOS逐渐取代TTL，成为集成电路的主导技术,4/39,内容提要,半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路,5/39,半导体材料硅
2、(Si),硅的晶格结构,硅的晶格结构（平面图）,6/39,半导体材料硅(Si),VCC,电子移动方向,电流方向,硅的晶格结构,硅的晶格结构（平面图）,7/39,半导体的掺杂,半导体中参与导电的实体载流子(Carrier) 电子 空穴 通过改变载流子的数量，可以改变半导体的导电特性 P型掺杂 P：Positive 加入三价元素杂质，例如硼或者铟 增加空穴的数量 N型掺杂 N：Negative 加入五价元素杂质，例如磷、砷或锑 增加自由电子的数量,8/39,P型半导体,B,多余的空穴,掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的,9/39,N型半导体,P,多余的电子,掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带
3、电）的,10/39,P-N结(P-N Junction),耗尽层,11/39,P-N结的导电特性,当PN结两端加上正向偏置电压时，PN结表现出很小的电阻，处于导通状态,12/39,P-N结的导电特性,当PN结两端加上反向偏置电压时，PN结表现出很大的电阻，处于截至状态,PN结具有单向导电特性。,13/39,二极管和三极管,N类型半导体,P类型半导体,二极管,三极管,双极型晶体管命名的由来 两种载流子参与导电。,e,c,b,NPN,PNP,NPN BJT导通示意图,14/39,http:/en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor,15/3
4、9,部分小结,本征半导体 半导体掺杂(P型掺杂、N型掺杂) P-N结 双极型器件(二极管/三极管),16/39,内容提要,半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路,17/39,MOS晶体管结构,PMOS晶体管,n+,n+,p类型基底,p+,p+,n类型基底,NMOS晶体管,Source:源极,Gate:栅极,Drain:漏极,18/39,MOS晶体管工作原理,以NMOS晶体管为例 Vgs 0,源极 (S),栅极(G),漏极(D),Vgs,Vds,p类型基底,19/39,MOS晶体管符号,栅极,源极,漏极,栅极(gate),源极(source),漏极 (drain),
5、Vgs,Vgs,N沟道MOS管,P沟道MOS管,+,-,+,-,Tips：栅极和另外两个极之间没有什么联系。但是栅极和源、漏极之间有电容耦合， 在高速电路中会产生功耗。,由其他材料构成的场效应管(FET),Amorphous silicon (无定形硅) Polycrystalline silicon (多晶硅) Organic semiconductors (有机半导体) H. Sirringhaus, Materials and Applications for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Proc. IEEE,
6、 pp. 1570-1579, 2009 H. Sirringhaus, Device Physics of Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Adv. Mater. 2005, 17, 24112425,20/39,21/39,内容提要,半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路,22/39,CMOS电路,CMOS: Complementary MOS，互补MOS 用NMOS和PMOS用互补的方式共用，就形成CMOS。 NMOS晶体管和PMOS晶体管总是成对出现，状态互补。 常用CMOS门电路
7、反相器/与非门/或非门/与或非门/或与非门,23/39,CMOS反相器,24/39,CMOS反相器的开关模型,25/39,CMOS反相器的另一种表示法,26/39,CMOS与非门,27/39,CMOS与非门的开关模型,更多输入的CMOS与非门,它的开关模型？ 门的数量和输入的关系？,29/39,更多。,30/39,CMOS与门,31/39,CMOS或非门,CMOS的或门如何得到？,32/39,CMOS非反相器,33/39,CMOS与或非门 （AOI门）,用一级的延迟实现二级逻辑（与-或，或-与），在设计中比较有用。,34/39,CMOS逻辑系列,标识一类CMOS器件（一个CMOS逻辑系列）-
8、mmFAMnn，其中 mm: 74/54，表示民用或军用 FAM：系列助记符，例如HCT，AHC等 nn：功能描述代码 74HC30/74HCT30/74AHC30等均表示8输入与非门 HC/HCT High Speed CMOS High Speed CMOS, TTL compatible VHC/VHCT (80s-90s) Very High Speed CMOS Very High Speed CMOS，TTL compatible,35/39,内容提要,半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路,36/39,TTL反相器,37/39,其它的TTL门电路,TTL与非门电路,TTL或非门电路,TTL与或非门电路,TTL异或门电路,38/39,TTL逻辑系列,74S系列 74LS系列 74AS系列 74ALS系列 74F系列,39/39,TTL和CMOS电路的接口,需要考虑的因素 噪声容限 扇出 电容负载,40/39,小结,半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路,作业,阅读Digital Design Principle and Practice中有关CMOS晶体管门电路的章节 阅读数字电子技术基础中有关TTL反相器电路结构和工作原理的章节,41/39,
