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半导体物理基础

  1. 半导体是一种导电能力介于导体($\rho < 10^{-4}\Omega\cdot\text{cm}$)和绝缘体($\rho>10^9\Omega\cdot\text{cm}$)之间的物质,导电能力与温度光照掺杂浓度有关。
  2. 本征半导体、空穴及其导电作用
    • 本征半导体:化学成分纯净的半导体(半导体纯度达99.9999999%,“九个9”)。
    • 载流子:可以自由移动的带电粒子。
    • 电导率:与材料单位体积中所含载流子数有关,载流子浓度越高,电导率越高。
    • 本征激发:当半导体受热或光照激发时,某些电子从外界获得足够的能量而挣脱共价键的束缚,离开原子成为自由电子,同时在共价键中留下相同数量的空穴。
    • 电子空穴对:由热激发而产生的自由电子和空穴对。
    • 空穴的移动:空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。复合(recombination) 温度一定时,本征激发和复合会达到动态平衡
  3. 本征半导体的缺点:载流子少,导电性差,温度稳定性差。
  4. 杂质半导体:在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质(三价或五价元素),可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
    • P型半导体:掺入三价杂质元素(硼、镓、铟)的半导体。
      • 空穴($p$)是多数载流子(多子),自由电子($n$)是少数载流子(少子)
      • 三价杂质成为受主杂质($N_A$)
      • $N_A + n = p$
    • N型半导体:掺入五价杂质元素(磷)的半导体。
      • 自由电子($n$)是多数载流子,空穴($p$)是少数载流子
      • 五价杂质原子被称为施主杂质($N_D$)
      • $n = p + N_D$
    • 典型数据(三个浓度基本上依次相差$10^6/cm^3$)
      • $T=300\text{K}$室温下,本征硅的电子和空穴浓度:$n=p=1.45\times 10^{10}/cm^3$
      • 掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:$n=5\times 10^{16}/cm^3$
      • 本征硅的原子浓度:$4.96\times 10^{22}/cm^3$
  5. 载流子的漂移与扩散
    • 漂移(Drift)电流:在电场作用下,载流子(自由电子/空穴)在电场作用下的漂移运动形成的电流。
    • 扩散(Diffusion)电流:因浓度差,载流子从浓度高处向浓度低处扩散运动,形成的电流。
  6. PN结 = 空间电荷区 = 耗尽层 = 势垒区 = 非线性电阻
    • 对于P型半导体和N型半导体结合面,离子薄层形成的空间电荷区称为PN结
    • 在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称耗尽层
  7. PN结的单向导电性:外加电压使PN结中P区电位高于N区电位,称为加正向电压,简称正偏;反之称为加反向电压,简称反偏
    • PN结加正向电压:低电阻,大的正向扩散电流
    • PN结加反向电压:高电阻,小的反向漂移电流
    • 反向饱和电流:在一定的温度条件下,由本征激发决定的少子浓度是一定的,故少子形成的漂移电流是恒定的,基本上与所加反向电压的大小无关,这个电流也称为反向饱和电流。
    • $V-I$特性表达式:$i_D=I_S(e^{v_D/V_T}-1)$,其中$I_S$是反向饱和电流,$V_T$是温度的电压当量,常温($T=300\text{K}$)时$V_T=\frac{kT}{q}=0.026\text{V}=26\text{mV}$。
  1. PN结的反向击穿:当PN结的反向电压增加到一定数值时,反向电流突然快速增加,此现象称为PN结的反向击穿。
    • 雪崩击穿(可逆):碰撞电离导致击穿;有正温度系数。
    • 齐纳击穿(可逆):由于强电场的作用,直接产生大量电子-空穴对而使反向电流剧增的现象;常发生在掺杂浓度比较高的PN结中(空间电荷层比较薄);具有负的温度系数(温度上升时击穿电压下降)。
    • 热击穿(不可逆)
  2. PN结的电容效应
    • 扩散电容$C_D$:取决于少子,正向偏置时较大,反向偏置时很小。
    • 势垒电容$C_B$:取决于多子。
    • PN结正向偏置时,结电容较大,主要取决于扩散电容;PN结反向偏置时,结电容较小,主要取决于势垒电容。

二极管

  1. 二极管功能
    • PN结单向导电性:整流、检波、开关
    • PN结压降:温度传感器、参考电压
    • 非线性电流-电压特性:调节电压、限制电压、无线电调谐、产生射频振荡、发光
  2. 二极管分类
    • 结构
      • 点接触型:PN结面积小,结电容小,用于检波变频等高频电路。
      • 面接触型:PN结面积大,用于工频大电流整流电路
      • 平面型:往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流开关电路中。
    • 材料:锗二极管、硅二极管、硒二极管、砷化镓二极管
    • 用途:检波二极管、整流二极管、稳压二极管(齐纳二极管)、开关二极管、肖特基二极管、发光二极管、激光二极管、光电二极管、隧道二极管
  3. 二极管的符号 二极管的符号
  4. 伏安特性曲线:$i_D = I_S(e^{v_D/V_T} - 1)$
    • 硅二极管死区电压:$V_{th} = 0.5 \sim 0.8\text{V}$
    • 锗二极管死区电压:$V_{th} = 0.1 \sim 0.3\text{V}$
  5. 二极管的主要参数
    • 最大整流电流$I_F$:二极管连续工作时,允许流过的最大整流电流的平均值。
    • 反向击穿电流$V_{BR}$和**最大反向工作电压**$V_{RM}$:二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压$V_{BR}$。为安全计,在实际工作时,最大反向工作电压$V_{RM}$一般只按反向击穿电压$V_{BR}$的一半计算。
    • 反向电流$I_R$:在室温下,最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安($\text{nA}$)级;锗二极管在微安($\mu\text{A}$)级。
    • 极间电容 $C_d = C_B + C_D$
    • 反向恢复时间$T_{RR}$:当二极管从正向偏置的导通状态,突然转为反向偏置时,需要一定的时间才能变成截止状态,这段时间称为反向恢复时间。(主要原因是扩散电容CD的影响)
    • 正向压降$V_F$:在规定的正向电流下,二极管的正向电压降。硅二极管约$0.6\sim 0.8\text{V}$;锗二极管约$0.2\sim 0.3\text{V}$。
  6. 二极管的基本电路及其分析方法
    • 简单二极管电路图解分析法
    • 二极管电路的简化模型分析方法
      1. 理想模型:正向偏置:管压降=0V;反向偏置:电阻无穷大。近似条件:电源电压远大于管压降。
      2. 恒压降模型:管压降恒定:0.7V(硅管) 0.3V(锗管)。近似条件:$i_D$近似等于或大于1mA。
      3. 折线模型:$v_D=0.5\text{V}$(硅管)
      4. 小信号模型:等效为微变电阻
    • 模型分析法应用举例
      1. 整流电路:利用二极管的单向导电性
      2. 静态工作情况分析:理想模型、恒压模型、折线模型
      3. 限幅电路
      4. 开关电路:判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态,可以先将二极管断开,然后观察(或经过计算)阳、阴两极间是正向电压还是反向电压,若是前者则二极管导通,否则二极管截止。
      5. 低电压稳压电路:利用二极管的正向压降特性,获得较好的稳压性能。单个硅管/0.7V,锗管/0.3V(具体见器件参数)。
      6. 小信号工作情况分析
        1. 分析电路的静态工作情况(求出静态工作点Q);
        2. 根据Q点算出微变电阻rd;
        3. 根据小信号模型交流电路模型,求出小信号作用下电路的交流电压、电流;
        4. 最后与静态值叠加,得出完整值。
      7. 齐纳二极管(稳压管):利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。

半导体三极管

  1. 三极管的结构和符号 NPN PNP
  2. 结构特点:
    • 发射区掺杂浓度最高;
    • 集电区掺杂浓度低于发射区,且面积大;
    • 基区很薄,一般在几个微米,且掺杂浓度最低。
  3. BJT内部载流子的传播过程(图见ppt第5张)
    1. 发射区向基区扩散载流子:$I_E = I_{EN} + I_{EP}\approx I_{EN}$
    2. 载流子在基区扩散与复合:$I_B=I_{EP}+I_{BN}-I_{CBO}=I_{EP}+I_{EN}-I_{CN}-I_{CBO}=I_E-I_C$
    3. 集电区收集载流子:$I_C=I_{CN}+I_{CBO}$
  4. BJT的电流分配关系
    • 由传输过程:$I_E\approx I_{En},I_C=I_{CN}+I_{CBO},I_B\approx I_E-I_C$
    • 共基极直流放大系数:$\bar{\alpha}=\frac{传输到集电极的电流}{发射极注入电流}\Rightarrow\bar{\alpha}=\frac{I_{CN}}{I_E}=\frac{I_C-I_{CBO}}{I_E}$(通常$I_C\gg I_{CBO}$,故$\bar{\alpha}\approx\frac{I_C}{I_E}$。电流放大系数$\alpha$只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关,**与外加电压无关**。一般$\alpha=0.9\sim 0.99$。)
    • 共射极放大系数:$\bar{\beta}=\frac{\bar{\alpha}}{1-\bar{\alpha}},I_{CEO}=(1+\bar{\beta})I_{CBO}$,故$I_C=\bar{\beta}I_B+I_{CEO}$。当$I_C\gg I_{CEO}$时,$\bar{\beta}\approx\frac{I_C}{I_B}$。
  5. 三极管的三种组态
    • 共发射极接法(CE)
    • 共基极接法(CB)
    • 共集电极接法(CC)
  6. 三极管放大作用的两个条件
    1. 内部条件:发射区杂质浓度远高于基区杂质浓度,且基区很薄
    2. 外部条件:发射结正偏,集电结反偏
  7. BJT的输入特性曲线的三个部分
    1. 死区
    2. 非线性区
    3. 近似线形区(工作压降:硅管$v_{BE}\approx 0.6\sim 0.7\text{V}$,锗管$v_{BE}\approx 0.2\sim 0.3\text{V}$;*印象中这个作业里好像出现过*)
  8. BJT的输出特性曲线的三个区域
    1. 饱和区:$i_C$明显受$v_{CE}$控制的区域,该区域内一般$v_{CE}<0.7\text{V}$(硅管)。此时发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小。
    2. 截止区:$i_C$接近0的区域,相当于$i_B=0$的曲线下方。此时$v_{BE}$小于死区电压。
    3. 放大区:$i_C$平行于$v_{CE}$轴的区域,曲线基本平行等距。此时,发射结正偏,集电结反偏。
  9. 基区宽度调制效应:对共射极电路有$v_{CE}=v_{CB}+v_{BE}$。在基极电流不变的情况下,集电极电流将随$v_{CE}$的增大而增大,输出特性比较平坦的部分随着$v_{CE}$的增加略向上倾斜,称为**Early效应**。
  10. BJT的主要参数
    1. 电流放大系数
      1. 共射极直流电流放大系数$\bar{\beta}=\frac{I_C-I_{CEO}}{I_B}\approx\frac{I_C}{I_B}$($v_{CE}$不变)
      2. 共发射极交流电流放大系数$\beta=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$($v_{CE}$不变)
      3. 共基极直流电流放大系数$\bar{\alpha}=\frac{I_C-I_{CBO}}{I_E}\approx\frac{I_C}{I_E}$
      4. 共基极交流电流放大系数$\alpha=\frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$($v_{CB}$不变)
      5. 当$I_{CBO}$和$I_{CEO}$很小时,$\bar{\alpha}\approx\alpha,\bar{\beta}\approx\beta$
    2. 极间反向电流
      1. 集电极极间反向饱和电流$I_{CBO}$:发射极开路时,集电结的反向饱和电流。
      2. 集电极极间的反向饱和电流$I_{CEO}=(1+\bar{\beta})I_{CBO}$:输出特性曲线$I_B=0$那条曲线所对应的$Y$坐标的数值。也称为**集电极发射极间穿透电流**。
    3. 极限参数
      1. 集电极最大允许电流$I_{CM}$
      2. 集电极最大允许功率损耗$P_{CM}=I_C V_{CE}$
      3. 反向击穿电压
        1. $V_{(BR)CBO}$:发射极开路时的集电结反向击穿电压。
        2. $V_{(BR)EBO}$:集电极开路时发射结的反向击穿电压。
        3. $V_{(BR)CEO}$:集电极开路时集电极和发射极间的击穿电压。
  11. 温度对BJT参数及特性的影响
    1. 温度对BJT参数的影响
      1. 温度每升高10摄氏度,$I_{CBO}$约增加一倍(温度升高,输出特性曲线上移)
      2. 温度每升高1摄氏度,$\beta$值约增大0.5%~1%
      3. 温度升高时,$V_{(BR)CBO}$和$V_{(BR)CEO}$都会有所提高
    2. 温度对BJT特性曲线的影响
      1. 温度升高,输入特性曲线左移。【温度变化对输入特性曲线的影响】
      2. 温度升高,输出特性曲线上移,曲线族间距增大。【温度变化对$\beta$影响】

三极管放大电路

  1. 共射极放大电路的工作原理
    1. 静态:输入信号$v_i=0$时,放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。一般硅管$V_{BE}=0.7\text{V}$,锗管$V_{BE}=0.2\text{V}$。【ppt 304-4有例题】
    2. 动态:输入正弦信号$v_S$后,电路将处在动态工作情况。此时,BJT各极电流及电压都将在静态值的基础上随输入信号作相应的变化。
      • 先静态:确定静态工作点$Q(I_{BQ}, I_{CQ}, V_{CEQ})$
      • 后动态:确定性能指标($A_V,R_i,R_O$等)
  2. BJT放大电路的图解分析法
    1. 静态工作点的图解分析 (PPT 304-7)
      1. 画出直流通路
      2. 列输入回路方程:$v_{BE}=V_{BB}-i_BR_b$
      3. 列输出回路方程(直流负载线):$v_{CE}=V_{CC}-i_CR_c$
      4. 在输入特性曲线上作出直线$v_{BE}=V_{BB}-i_BR_b$,两线的焦点即是$Q$点,得到$I_{BQ}$
      5. 在输出特性曲线上,作出直流负载线$v_{CE}=V_{CC}-i_CR_c$,与$I_{BQ}$曲线交点即为$Q$点,从而得到$V_{CEQ}$和$I_{CQ}$。
    2. 动态工作情况的图解分析
      1. 根据$v_S$的波形,在BJT的输入特性曲线上画出$v_{BE}$、$i_B$的波形:$v_S=V_{sm}\sin\omega t$, $v_{BE}=V_{BB}+v_S-i_BR_b$
      2. 根据$i_B$的变化范围在输出特性曲线上画出$i_C$和$v_{CE}$的波形:$v_{CE}=V_{CC}-i_CR_c$
    3. 静态工作点对波形失真的影响
      1. 静态工作点太高容易出现饱和失真
      2. 静态工作点太低容易出现截至失真
  3. 温度对工作点的影响【见“半导体三极管”】
  4. 基极分压式射极偏置电路【图见PPT 304-20】
    • 目标:温度变化时,$I_{CQ}$维持恒定。
    • 如果温度变化时,$b$点电位能基本不变,则可实现静态工作点的稳定。
    • 条件:$I_1\gg I_{BQ}$, $V_B\gg V_{BEQ}$,此时$V_B\approx\frac{R_{b2}}{R_{b1}+R_{b2}}\cdot V_{CC}$,$V_B$与温度无关,$R_e$取值越大反馈控制作用越强。

场效应管

  1. 场效应晶体管(FET)具有体积小、重量轻、功耗小、寿命长、输入阻抗高、噪声低、制造工艺简单等优点。
  2. 场效应管的分类
    1. 绝缘栅型 MOSFET
      1. 增强型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在【N沟道 / P沟道】
      2. 耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道【N沟道 / P沟道】
    2. 结型 JFET (耗尽型) 【N沟道 / P沟道】
  3. 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)是利用半导体表面电场效应进行工作,故又称为表面场效应器件
  4. 各种场效应管的特性比较(工作原理见ppt) 各种场效应管特性比较
  5. MOSFET的主要参数
    1. 直流参数
      1. 开启电压 $V_T$(增强型参数)
      2. 夹断电压$V_P$(耗尽型参数)
      3. 饱和漏电流$I_{DSS}$(耗尽型参数)
      4. 直流输入电阻$R_{GS} (10^9\Omega\sim 10^{15}\Omega)$
    2. 交流参数
      1. 输出电阻$r_{ds}=\frac{\partial v_{DS}}{\partial i_D}$(给定$v_{GS}$)
      2. 低频互导$g_m=\frac{\partial i_D}{\partial v_{GS}}$
    3. 极限参数
      1. 最大漏极电流$I_{DM}$
      2. 最大耗散功率$P_{DM}$
      3. 最大漏源电压$V_{(BR)DS}$
      4. 最大栅源电压$V_{(BR)GS}$
  6. FET和BJT重要特性的比较
    1. 3个电极对应:g$\leftrightarrow$b, s$\leftrightarrow$e, d$\leftrightarrow$c
    2. 工作原理不同,但都可以利用两个电极之间的电压控制流过第三个电极的电流来实现输入对输出的控制。MOS管栅极电流$i_G=0$,而BJT管$i_B\neq 0$。
    3. MOS管$g_m$不仅与$V_{GSQ}$和开启(夹断)电压的差值有关,还与起沟道的宽长比有关。BJT的$g_m$仅与$I_{CQ}$有关。
    4. 输出电阻都等于Early电压$V_A$与静态电流的比值。通常BJT的$V_A$大,BJT的$r_O$大。
    5. MOS管的$K_n$与BJT的$\beta$或$\alpha$有类似性质,即主要取决于管子的固有参数,与所在的电路无关。

场效应管放大电路

共源极放大电路

  1. 组成
    1. 如何让MOS管工作在饱和区?
      • $V_{GG}$:提供栅源电压使$v_{GS}>V_{TN}$
      • $V_{DD}$和$R_d$:提供合适的漏源电压,使$v_{DS}>v_{GS}-V_{TN}$
      • $R_d$还兼有将电流转换成电压的作用。通常称$V_{GG}$和$V_{DD}$为三极管的工作电源,$v_i$为信号。
    2. 信号如何通过MOS管传递?
      • $v_i\rightarrow \Delta v_{GS}\rightarrow\Delta i_D\rightarrow\Delta v_{DS}(=v_O)$
      • 信号由栅源回路输入、漏源回路输出,即源极是公共端,所以称此电路为共源电路。也可看作信号由栅极输入、漏极输出。
  2. 工作原理
    1. 放大电路的静态和动态
      1. 静态:输入信号为0($v_i=0$或$i_i=0$)时,放大电路的工作状态,也称直流工作状态。此时,FET的直流量$I_D,V_{GS},V_{DS}$在输出特性曲线上表述为一个确定的点,习惯上称该点为静态工作点Q,常将上述三个电量写成$I_{DQ},V_{GSQ},V_{DSQ}$。
      2. 动态:输入信号不为零时,放大电路的工作状态,也称交流工作状态
    2. 放大电路的直流通路和交流通路
      1. 仅有直流电流流经的通路为直流通路,直流电压源对交流相当于短路
      2. 仅有交流电流流经的通路为交流通路,直流电压源对交流相当于短路
      3. 放大电路的静态工作点估算【PPT 306-8】
      4. 放大电路的动态工作情况
  3. 用图解法确定静态工作点Q【PPT 306-14】
  4. 动态工作情况的图解分析
    1. 正常工作情况【PPT 306-16】
    2. 静态工作点对波形失真的影响【PPT 306-18】

放大电路模型

  1. 信号:信息的载体;电信号:用电量来描述信息的变化。
  2. (电)信号源的电路表达形式:电压源等效电路(戴维宁)$\Leftrightarrow$电流源等效电路(诺顿)【$i_S=\frac{v_S}{R_S}$】
  3. 模拟信号和数字信号
    1. 模拟信号:在时间和幅值上都是连续的信号。
    2. 数字信号:在时间和幅值上都是离散的信号。
  4. 模拟信号和数字信号分类
    1. 时间连续、数值连续:模拟信号
    2. 时间离散、数值连续:AD转换信号
    3. 时间连续、数值离散:DA转换信号
    4. 时间离散、数值离散:数值信号
  5. 放大电路的符号及模拟信号放大 放大电路的符号
    1. 电压增益(电压放大倍数):$A_v=\frac{v_o}{v_i}$
    2. 电流增益:$A_i=\frac{i_o}{i_i}$
    3. 互阻增益:$A_r=\frac{v_o}{i_i}$($\Omega$)
    4. 互导增益:$A_g=\frac{i_o}{v_i}$(S)
  6. 放大电路模型:电压放大模型,电流放大模型,互阻放大模型,互导放大模型,隔离放大电路模型
  7. 放大电路的主要性能指标:
    1. 输入电阻:$R_i=\frac{v_i}{i_i}$,决定了放大电路从信号源吸收信号幅值的大小
    2. 输出电阻:$R_o=\frac{v_t}{i_t}$($v_s=0,R_L=\omega$),决定了放大电路的负载能力
    3. 增益:反应放大电路在输入信号控制下,将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。包括$A_v=\frac{v_o}{v_i}, A_i=\frac{i_o}{i_i}, A_R=\frac{v_o}{i_i}, A_g=\frac{i_o}{v_i}$,其中$A_v,A_i$常用分贝(dB)表示:
      1. 电压增益 $=20\lg|A_v|~(\text{dB})$
      2. 电流增益 $=20\lg|A_i|~(\text{dB})$
      3. 功率增益 $=10\lg A_p~(\text{dB})$
    4. 频率响应及带宽:在输入正弦信号情况下,输出随输入信号频率变化的稳态响应,称为放大电路的贫路响应。【PPT 307-18有公式】带宽$BW=f_H-f_L$($f_H$为上限频率,$f_L$为下限频率)。频率失真(线性失真):幅度失真,相位失真
    5. 非线性失真:由元器件非线性特性引起的失真。在频谱图上表现为新的频率分量产生。

运算放大器

  1. 集成电路运算放大器的功能:信号放大;信号运算(加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等);信号的处理(滤波、调制);波形的产生和变换。
  2. 集成电路运算放大器的分类:通用运放和专用运放(高阻、低温漂、高速、低功耗、高压大功率);单运放($\mu\text{A}741$)、双运放($\text{LM358}$)、四运放($\text{LM}324$)。
  3. 集成电路运算放大器符号 运算放大器符号
  4. 放大:在输入信号控制下,放大电路将供电电源能量转换成输出信号能量。
  5. 通常集成电路运算放大器开环电压增益$A_{VO}$很高,输入电阻$r_i$很大,输出电阻$r_o$很小
    1. $v_O=A_{VO}(v_P-v_N)\quad(V_-<v_O<V_+)$
    2. 当$V_{VO}(v_P-v_N)\geq V_+$时,$V_O=V_+$
    3. 当$V_{VO}(v_P-v_N)\leq V_-$时,$V_O=V_-$
  6. 运算放大器的电压传输特性:线性区 + 饱和区(理想运算放大器:$A_{vo}=\infty, r_{id}=\infty, r_o=0$)
  7. 反馈(feedback):将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。
    1. 正反馈:输入量不变时,引入反馈后输出量变大了;负反馈:输入量不变时,引入反馈后输出量变小了。
    2. 判别方法:瞬时极性法。即在电路中,从输入端开始,沿着信号流向,标出某一时刻有关节点电压变化的斜率(正斜率或负斜率,用“+”、“-”号表示)。
  8. 同相放大电路的反馈过程【PPT 308-13】
  9. 反馈的电压增益【PPT 308-14】
  10. 虚短和虚断
    1. 虚短:在深度负反馈作用下,$v_N$自动跟踪$v_P$,净输入电压$(v_P-v_N)\rightarrow 0$,即P端与N端相当于短路。
    2. 虚断:由于$(v_P\approx v_N)$而运放的输入电阻阻值又很高,因此流经两输入端之间的电流$i_p=i_N\approx 0$。
  11. 同相放大电路 - 电压跟随器;反相放大电路;求差电路;求和电路。

数字逻辑

  1. 分类
    1. 根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则:组合逻辑电路,时序逻辑电路
    2. 器件:TTL,CMOS
  2. 数字集成电路的特点
    1. 电路简单,便于大规模集成,批量生产
    2. 可靠性、稳定性和精度高,抗干扰能力强
    3. 体积小,通用性好,成本低
    4. 具可编程性,可实现硬件设计软件化
    5. 高速度、低功耗
    6. 加密性好
  3. 数字信号的描述方法
    1. 二值数字逻辑和逻辑电平
    2. 数字波形:信号逻辑电平对时间的图形表示
      1. 两种类型:非归零型(高电平/低电平),归零型(有脉冲/无脉冲)
      2. 周期性和非周期性
      3. 实际脉冲波形及主要参数
        1. 周期($T$):两个相邻脉冲之间的时间间隔
        2. 脉冲宽度($t_w$):脉冲幅值的50%的两个时间所跨越的时间
        3. 占空比$Q$:表示脉冲宽度占整个周期的百分比
        4. 上升时间$t_r$和下降时间$t_f$:从脉冲幅值的10%到90%上升下降所经历的时间(典型值ns)
  4. 二进制的优点
    1. 易于电路表达
    2. 二进制数字装置所用元件少,电路简单、可靠
    3. 基本运算规则简单,运算操作方便
  5. 二值逻辑变量与基本逻辑运算
    1. 与逻辑:$L=A\cdot B=AB$
    2. 或逻辑:$L=A+B$
    3. 非逻辑:$L=\bar{A}$
    4. 复合:与非($\overline{A\cdot B}$),或非($\overline{A+B}$),异或,同或($L=AB+\bar{A}\bar{B}$)

逻辑门电路

  1. 逻辑门:实现基本逻辑运算和符合逻辑运算的单元电路
  2. 逻辑门电路的分类
    1. 分立门电路
      1. 二极管门电路
      2. 三极管门电路
    2. 集成门电路
      1. MOS门电路(NMOS门,PMOS门,CMOS门)
      2. TTL门电路
  3. 逻辑门电路的一般特性
    1. 输入和输出的高、低电平
      1. 输入低电平的上限值:$V_{IL(\max)}$
      2. 输入高电平的下限值:$V_{IH(\min)}$
      3. 输出高电平的下限值:$V_{OH(\min)}$
      4. 输出低电平的上限值:$V_{OL(\max)}$
    2. 噪声容限
      1. 当前级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值:$V_{NH}=V_{OH(\min)}-V_{IH(\min)}$
      2. 当前级门输出低电平的最大值时允许正向噪声电压的最大值:$V_{NL}=V_{IL(\max)}-V_{OL(\max)}$
    3. 传输延迟时间:表征门电路的开关速度的参数,说明门电路在输入脉冲波形的作用下,其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。
    4. 功耗
      1. 静态功耗:当电路没有状态转换时的功耗,即门电路空载时电源总电流$I_D$与电源电压$V_{DD}$的乘积。
      2. 动态功耗:电路在输出状态转换时的功耗。
      3. 对于TTL门电路来说,静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低,CMOS门电路有动态功耗。
    5. 延时-功耗积:速度功耗综合性的指标,用符号$DP$表示。
    6. 扇入与扇出数
      1. 扇入数:取决于逻辑门的输入端的个数。
      2. 扇出数:指其在正常工作情况下,所能带同类门电路的最大数目。
    7. MOS开关及其等效电路
      1. $v_I<V_T$:MOS管截止,输出高电平。
      2. $V_I>V_T$并且比较大:MOS管工作在可变电阻区,输出低电平。
      3. MOS管相当于一个由$v_{GS}$控制的无触点开关。
    8. CMOS反相器(工作原理,电压传输特性和电流传输特性,工作速度)
    9. CMOS逻辑门(与非门,或非门,异或门)
    10. CMOS传输门(双向模拟开关) 工作原理
    11. TTL逻辑门(BJT的开关特性,BJT的开关时间,TTL与非门,TTL或非门)
    12. TTL反相器的基本电路
      1. 电路组成(输入级:提高电路的开关速度;中间级:作为输出级的驱动信号;输出级:提高开关速度和带负载能力)
      2. TTL反相器的工作原理(逻辑关系、性能改善)

半导体存储器

  1. 半导体存储器的分类
    1. RAM (Ramdom-Access Memory)
      1. 静态随机存储器 SRAM(存储单元:6个N沟道增强型MOS管;速度快,贵)
      2. 动态随机存储器 DRAM(相对速度慢,便宜)
        1. 异步存储: FP DRAM, EDO DRAM
        2. 同步存储:显存平台(GDDR1-6),笔记本平台(LPDDR),PC平台(SDR, DDR1-4)
        3. 伪静态随机存储器 PSRAM
    2. ROM (Read-Only Memory)
      1. 固定ROM - 掩模ROM (出场时已经固定,不能更改,适合大量生产简单,便宜,非易失性)
      2. 可编程ROM(一次性编程,不能改写)
        1. PROM(用紫外线擦出)
        2. EPROM
        3. E$^2$PROM(电可擦出)
        4. FLASH (NOR FLASH, NAND FLASH: eMMC, SSD, USB3.0)
  2. 基本概念
    1. 字长(位数):表示一个信息的多位二进制码成为一个字,字的位数成为字长。
    2. 字数:字的总量。字数$=2^n$(n为存储器外部地址线的线数)
    3. 地址:每个字的编号
    4. 存储容量(M):存储二值信息的总量(=字数$\times$位数)

微电子学的新发展

  1. 当前微电子技术的发展热点:生物探测芯片,神经网络计算(忆阻器),超高频电路(石墨烯),超低功耗逻辑/存储(量子隧穿晶体管,自旋电子学晶体管),量子计算(自选电子学晶体管),智能穿戴(柔性电子学),拓扑绝缘体
  2. 柔性电子器件的材料:碳纳米管,金属氧化物半导体薄膜,金属纳米薄膜、金属纳米线,有机高分子薄膜,水凝胶离子导体,液态金属
  3. 柔性电子制造方法:转移印刷,喷墨印刷,纤维结构形成