数字电子技术基础（十四）——集成电路简介以及门电路的简单介绍
目录
1 集成电路
在电子学中，集成电路是一种将电子线路小型化的方式，通常在半导体表面制造而成。集成电路有众多优点，如下所示为集成电路的特点：
集成电路的应用领域十分广泛，在计算机技术、通信领域以及工业和军事领域有广泛地应用，集成电路装配的电子设备比晶体管的装配密度提高几千倍，并且稳定性大大提高。
集成度是单芯片上集成的电子器件和元件的数量。
2 门电路
2.1 门电路的分类与特性
门电路是实现基本运算和复合运算的单元电路，例如或门、与门、与非门、或非门等。
按照工艺分类，可以将门电路分为TTL门电路和CMOS门电路。如下所示：
门电路的特性包括输出特性、电压传输特性、输入特性。门电路的特性示意图如下所示：
2.2 正逻辑和负逻辑
正逻辑和负逻辑是数字电路设计中两种不同的逻辑约定，它们决定了数字信号的电平和逻辑值之间的关系。
- 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0。
- 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1。
在一般电路中，一般都是使用正逻辑，因为这样符合正常人的逻辑。正负逻辑对应的高低电平示意图如下所示：
如下图所示为正逻辑体制：
如下所示为跟负逻辑机制：
2.3 电路中获取高低电平的方式
电路中如何获得高电平呢和低电平呢？如下图所示是单开关电路示意图：
在上面电路中，输入信号为，输出信号为
，电源为
。若上面电路是一个正逻辑电路，如果想要获得低电平，S接电源那条线，此时
的电压接近0，输出低电平。想要获得高电平时，S接
那条线，此时
接收是高电平。
在上图中，如果接收的是低电平，那么希望电阻R越大越好；如果接收的是高电平，那么希望电阻R越小越好，这两种情况显然是一种冲突的情况。因此在电阻R需要选择一个合适的阻值。
在上面单开关电路中，有一个重要的缺点就是功耗较大。
在数字电路中，对于模拟信号和数字信号之间的转换也是需要在一定的范围内，如下图内容所示：
对于有效“0”到有效“1”，既不能隔着太远，也不能隔得太近。如果隔着太远，那么隔的太远峰值电压高功率发热大，如果隔着太近，极容易发生混淆，即原本想传递0的信息被解读为了1，原本想传递1的信息被解读为了0。
3 晶体二极管
3.1 二极管简介
二极管是一种只允许电流单向流动的半导体元件。它由一个PN结构成，具有两个端子，分别是阳极（正极）和阴极（负极）。
二极管的类型有很多，例如肖特基二极管、变容二极管等，下面是一些二极管的符号形式：
不同的二极管有不同的作用，例如对于发光二极管，可以用于指示和七段显示器；对于肖特基二极管，可以用与VHF整流，监测小信号...
除了上面这些二极管符号之外，还有其他的画法，这里列举了三种画法：
下面这是二极管的常见实图片：
（图片来源：二极管）
（图片来源：发光二极管）
3.2 PN结的电容效应
PN结是指在一块半导体基片上，通过特定工艺（如掺杂等）使一侧形成P型半导体，另一侧形成N型半导体，两种半导体交界面处形成的特殊空间电荷区结构。
PN结具有单向导电性，当PN结的P区接电源正极，N区接电源负极时，称为正向偏置，此时为低组态，当PN结的P区接电源负极，N去接电源负极时，称为反向偏置，此时为高阻态。
PN除了单向导电性，PN结还有结电容，还有势垒电容和扩散电容。由于PN结内建电场的存在，相当于在P区和N区之间形成了一层绝缘介质，当外加电压变化时，PN结的耗尽层宽度会发生变化，从而改变PN结的电容值。正向偏置时耗尽层变窄，电容值增大；反向偏置时耗尽层变宽，电容值减小。结面积小的为1pF，结面积大的为几十到几百pF。
- 垫垒电容：
。
- 扩散电容：
。
- 结电容：
。
PN结的示意图如下所示：
PN结具有单向导电性，PN结加上正向电压，则导通；如果PN结加上反向电压，则截止。将PN结用外壳封装起来，就形成了半导体二极管，简称为二极管。
将PN结进行封装，引出两个电格，就构成了二极管。可以把二极管看作一个受外力电场的急性控制的开关。当输入低电平时，二极管两端外加正向偏执电压，相当于开关闭合。此时电路输出为0，二极管正向导通，是低电平信号。当输入为高电平信号时，二极管两端外承受了反向偏执电压，相当于开关断开，此时，电路输出，是高电平信号。
3.3 二极管的材料
在二极管中，采用的材料有硅和锗，硅是最常用的热稳定材料，拥有热稳定性和良好的导电性，适用于任何二极管，而锗是早期常用的二极管材料，具有较低的正向压降，但是热稳定性较差。
下表是两种制成的二极管所对应的开启电压、导通电压以及反向饱和电流：
| 材料 | 开启电压 | 导通电压 | 反向饱和电流 |
|---|---|---|---|
| 硅（Si） | 0.5V | 0.5V~0.8V | 12uA以下 |
| 锗（Ge） | 0.2V | 0.2V~0.3V | 几十uA |
硅管的伏安特定曲线为：
锗管的伏安特定曲线为：
（上面两张图来源于武汉理工大学模拟电路课程内容）。
3.4 二极管的单向导电性和伏安特性曲线
（1）单向导电性
下面开始绘制测试二极管的单向导电性的电路图：
伏安特定曲线如下所示：
在上图中，有四个专业名词，分别是死区电压、导通压降、反向漏电流和反向击穿电压，下面对于这四个名词进行解释：
- 死区电压：死区电压是二极管正向偏置时，刚开始加电压由于内电场的原因，正向电压基本为0，当加到某一临界值的时候，才开始明显增大，这个临界值就是死区电压。
- 导通压降：当二极管正向导通时，两端产生的电压降，但是不是零电阻导通状态，仍然存在电压降。
- 反向漏电流：反向漏电流处于反向偏置时，理论上应该截止，但是由于少数载流子的存在，在反向电压作用下仍然会产生微小的电流，这个电流就称为反向漏电流。反向漏电压一般很小，大概在uA级。反向漏电流一般用
表示。
- 反向击穿电压：反向击穿电压是指二极管在反向偏置时，能够承受的最大反向电压。当反向电压超过这个值时，二极管可能会被破坏。反向击穿电压一般用
表示。（本文后面的反向击穿电压也使用
当加正向电压的时候，若，则
，当加反向电压的时候，若加反向电压时，若
，则
。
在上式中，
和
分别是因变量和自变量，表示通过二极管的电流和电压，而
的公式为
，其中n是一个修正系数，K是玻尔兹曼常数，T是热力学温度，q为电子电荷。常温下
同时，伏安特性曲线也受到温度的影响。当T(°C)增加时，在电流不变的情况下，管压降u下降，反向饱和电流上升，
下降，同时正向特征左移，反向特性下降。
3.5 二极管的三种等效模型
二极管的等效模型有三种，这三种模型分别有不同伏安特定曲线。
首先，是理想模型，曲线如下所示：
符号如下所示：
在理想模型中，当二极管正向导通时，其管压降为0V；当二极管反向导通时，二极管的电阻为无穷大，电流为0。在分析电路的时候，可以将二极管近似看作为理想模型。
恒压降模型的伏安曲线如下所示：
符号如下所示：
对于恒压降模型来说，其管压降认为是恒定的，并且不随变流变化，不过电流需要大于1mA。比较典型就是硅管0.7V，锗管0.2V。
折线模型如下所示：
符号如下所示：
这种情况下通常认为二极管的电阻不是恒定的，会随着电流的增加而增加。
（图21、23、25引用武汉理工大学模拟电路课程图片）
3.6 二极管的动态波形图
如下所示为二极管的动态波形图：
3.7 二极管的开关特性
如下图片所示为二极管的开关特性示意图：
在上图中高电平为：，
。
相较于图8 ，本图中二极管直接当做了开关使用，当，D截止，此时
；当
时，D导通，
。虽然二极管可以当开关使用，首先高低电平是一个值不是一个范围，并且高低电平取值太过于理想。
3.8 利用二极管实现与或运算
（1）使用二极管来实现与运算
如下电路图所示：
假设，加到A、B的
，
,当二极管导通时，
。
此电路当A、B输入不同的电压时Y的情况如下所示：
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0V | 0V | 0.7V |
| 0V | 3V | 0.7V |
| 3V | 0V | 0.7V |
| 3V | 3V | 3.7V |
如果规定3V以上的为1，0.7V以下为0。
得到如下表格：
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
（2）使用二极管实现或运算
如下电路图所示：
假设，加到A、B的
，
,当二极管导通时，
。
此电路当A、B输入不同的电压时Y的情况如下所示：
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0V | 0V | 0V |
| 0V | 3V | 2.3V |
| 3V | 0V | 2.3V |
| 3V | 3V | 2.3V |
将2.3V以上定位1，再将0取值为1。真值表变为：
| A | B | Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
原文地址：https://blog.csdn.net/qq_54186956/article/details/145058933
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