微型计算机的逻辑元件(晶体管怎么做成逻辑元件)

电子计算机的本质是一个开关组合,但肯定不是一个普通的开关组合。一是这些开关的速度特别快;二是这些开关特别小;三是集成了数以亿计的开关;四是这些开关也不是普通的开关,是晶体三极管开关。海量的微小晶体管作为逻辑元件巧妙地组合在一起形成的逻辑电路就是电子计算机上的集成电路。

微型计算机的逻辑元件(晶体管怎么做成逻辑元件)

中央处理器(CPU,Central Processing Unit)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。采用LGA、PGA、BGA触点连接(封装)到主板。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

内存条是在一块PCB电路板上连接那些黑色的方块也是集成电路,通过金手指与主板插槽连接。存储程序代码和需要处理的数据。

早期的电子计算机采用的开关元件(逻辑元件)是继电器、真空式电子管。

在了解晶体三极管之前,先了解一下真空式电子管、半导体和晶体二极管。

1 真空式电子管(真空管)

1883年,发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料,曾做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝,希望铜丝能阻止碳丝蒸发。但是他失败了,他无意中发现,没有连接在电路里的铜丝,却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。当时爱迪生正潜心研究城市电力系统,没重视这个现象。但他为这一发现申请了专利,并命名为“爱迪生效应”。

1904年,世界上第一只电子二极管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了,这使爱迪生效应具有了实用价值。弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。

考虑一块被加热的金属板,当它的温度达到摄氏800度以上时,会形成电子的加速运动,以至能够摆脱金属板本身对它们的吸引而逃逸到金属表面以外的空间。若在这一空间加上一个十几至几万伏的正向电压(在上面说到的显像管,阳极上就加有7000--27000伏的高压),这些电子就会被吸引飞向正向电压极,流经电源而形成回路电流。

1906年,美国发明家德福雷斯特(De Forest Lee),在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只真空三极管。

二极管的结构决定了它的单向导电的性质,当在阴极与阳极之间再加上一个带适当电压的极点,这个电压就会改变阴极的表面电位,从而影响了阴极热电子飞向阳极的数量,这就是调制极,一般是用金属丝做成螺旋状的栅网,所以又把它称为栅极。这就是阀门功能了。由此可以知道,当作为被放大的信号电压加在栅极----阴极之间时,由于它的变化必然会使阳极电流发生相应的变化,又由于阳极电压远高于阴极,因此栅阴极间微小的电压变化同样能使阳极产生相应的几十至上百倍的电压变化,这就是三极管放大电压三极管信号的原理。

真空三极管是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器(一般为玻璃管)中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极(屏极)引线被焊在管基上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号,并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中,近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代,但目前在一些高保真的音响器材中,仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件(香港人称使用电子管功率放大器为“胆机”)。

2 半导体

半导体( semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。

半导体是19世纪末才发现的一种材料。当时人们并没有发现半导体的价值,也就没有注重半导体的研究。直到二次大战中,由于雷达技术的发展,半导体器件——微波矿石检波器的应用日趋成熟,在军事上发挥了重要作用,这才引起了人们对半导体的兴趣。许多科学家都投入到半导体的深入研究中。

1947年,美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人捷足先登,合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体电子元件。晶体管被人们称为“三条腿的魔术师”。它的发明是电子技术史中具有划时代意义的伟大事件,它开创了一个崭新的时代——固体电子技术时代。他们三人也因研究半导体及发现晶体管效应而共同获得1956年最高科学奖——诺贝尔物理奖。

了解半导体,先要了解一下下面的一些术语:

自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子。

空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。

电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。

空穴电流:自由电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。

杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。

P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。

P型半导体的导电特性:它是靠空穴导电,掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能也就越强。

N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导体。

N型半导体的导电特性:掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。

PN结的形成:将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN结。PN结的特点:具有单向导电性。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。

半导体中有两种载流子:自由电子和空穴。由于空穴的存在,临近共价键中的价电子很容易跳过去填补这个空穴,从而使空穴转移到临近的共价键中去,而后,新的空穴又被其相邻的价电子填补,这一过程持续下去,就相当于空穴在运动。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动与带正电荷的粒子作反方向运动的效果相同,因此我们把空穴视为带正电荷的粒子。

半导体具有掺杂性、热敏性、光敏性、负电阻率温度特性、整流等五大特性。在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。

半导体按照其制造技术可以分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类。此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

3 晶体二极管

晶体二极管(Crystal Diode)是一个由p型半导体和n型半导体形成的PN结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

晶体二极管是一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过,许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压),反向时阻断 (称为逆向偏压),这就是开关二极管,因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。

早期的真空电子二极管是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子,这种电子器件按照外加电压的方向,具备单向电流的传导性。一般来讲,晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层,构成自建电场。当外加电压等于零时,由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态,这也是常态下的二极管特性。

二极管的空穴和多余电子↓

空穴运动后会形成电场,将会阻止电子的进一步迁移↓

反向偏置不会产生电流↓

正向偏置形成电流↓

二极管逻辑电路(Diode logic circuit)是用晶体二极管作为操作开关的逻辑电路。二极管逻辑电路优点是电路形式简单,工作电压范围不受限制,用开关管或超快恢复二极管、肖特基二极管可以达到较高的速度,但驱动能力相对较弱,功耗相对较大,输入阻抗相对较低,综合起来造成扇出系数很低。二极管逻辑电路中只有逻辑与门,或门,不能实现非门。在几个二极管逻辑电路级联的时候会出现电压降的问题,所以二极管逻辑电路只能单独使用,不能级联。二极管逻辑的使用:二极管逻辑一般是用于构建二极管—晶体管逻辑(DTL)门电路中。

TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写(Transistor-Transistor-Logic ),TTL电路是数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造,具有高速度低功耗和品种多等特点。TTL逻辑电路缺点是电路形式比二极管逻辑电路要复杂,工作电压范围较窄,输入阻抗高于二极管逻辑电路但不如CMOS逻辑电路,功耗略大,优点是速度较高,驱动能力也较强,综合起来扇出系数中等。

4 晶体三极管

晶体三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管,一般简称为三极管,是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号, 也用作无触点开关。

晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:锗管和硅管。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区b (Base),两侧部分是发射区e (Emitter)和集电区c (Collector),排列方式有PNP和NPN两种。但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,其中,N是负极的意思(代表英文中Negative),N型半导体在高纯度硅中加入磷取代一些硅原子,在电压刺激下产生自由电子导电,而P是正极的意思(Positive)是加入硼取代硅,产生大量空穴利于导电。两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的。

基极与发射极的正向偏置形成电流(相当于二极管的正向偏置)→集电极与发射极的反向偏置形成电流。

三极管只有一个电源时,总会阻塞电流↓

增加一个正向偏置的电源↓

第二个电源的正向偏置形成电流,进一步引起了第一个电源两端的电流流动↓

基极+发射极→集电极↓

结构示意图和符号↓

相关数据的相关关系↓

NPN三极管可以形象地看做两个共阳极的串连的二极管(实际构造要复杂得多),PNP三极管可以形象地看做两个共阴极的串连的二极管。

发射区和集电区都是同类型的半导体(N型或P型)。发射区的掺杂浓度要比集电区大,以便发射更多的载流子;集电区的面积比发射区大, 以便收集载流子。基区做的很薄(约几微米〜几十微米),且掺杂浓度低,这样形成两个靠的很近的PN结。

三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。放大状态主要应用于模拟电路中。而数字电路主要使用的是三极管的开关特性,只用到了截止与饱和两种状态,所以我们也只来讲解这两种用法。

三极管的三种状态也叫三个工作区域,即:截止区、放大区和饱和区。

截止区:三极管工作在截止状态,当发射结电压Ube小于0.6—0.7V的导通电压,发射结没有导通集电结处于反向偏置,没有放大作用。

放大区:三极管的发射极加正向电压(锗管约为0.3V,硅管约为0.7V),集电极加反向电压导通后,Ib控制Ic,Ic与Ib近似于线性关系,在基极加上一个小信号电流,引起集电极大的信号电流输出。

饱和区:当三极管的集电结电流IC增大到一定程度时,再增大Ib,Ic也不会增大,超出了放大区,进入了饱和区。饱和时,Ic最大,集电极和发射之间的内阻最小,电压Uce只有0.1V~0.3V。

三极管的基本结构是由两个反向连结的PN接面组成,可以有PNP和NPN两种组合。有三个极分为为射极、基极和集级构成。在放大电流的时候,首先,发射区会向基区发射电子,也就是电源经过电阻加在发射结上,发射结正向偏置,发射区的多数载流子不断的越过发射结进入基区,形成发射极电流。同时基区多数载流子也向发射区扩散,因此发射结主要是电子流。

其次,基区中电子的扩散与复合,也就是电子基区之后先在靠近发射结的附近密集,然后渐渐的形成电子浓度差,在浓度差的作用下促进电子流在基区中向集电结扩散,被集电结电场拉入集电区形成集电极电流。也会有很小的一部分电子与基区的空穴复合,扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。最后,集电区收集电子。由于集电结外加反向电压很大,这个反向电压产生的电场力将会阻止集电区电子向着基区扩散,同时还将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主流电流。另外,集电区的少数载流子也会产生漂移运动,流向基区形成反向饱和电流,虽然数值比较小,但是对于温度却是非常敏感的。

三极管开关和传统的机械式开关相较,具有下列四大优点:

(1)三极管开关不具有活动接点部份,因此不致有磨损之虑,可以使用无限多次,一般的机械式开关,由于接点磨损,顶多只能使用数百万 次左右,而且其接点易受污损而影响工作,因此无法在脏乱的环境下运作,三极管开关既无接点又是密封的,因此无此顾虑。

(2)三极管开关的动作速度较一般的开关为快,一般开关的启闭时间是以毫秒 (ms)来计算的,三极管开关则以微秒(μs)计。

(3)三极管开关没有跃动(bounce) 现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭动作,然后才能逐渐达到稳定状态。

(4)利用三极管开关来驱动电感性负载时,在开关开启的瞬间,不致有火花产生。反之,当机械式开关开启时,由于瞬间切断了电感性负载样 上的电流,因此电感之瞬间感应电压,将在接点上引起弧光,这种电弧非但会侵蚀接点的表面,亦可能造成干扰或危害。

三极管相对于二极管,不但可以作为放大管,还可以用作非门:

同电子管相比,晶体管具有诸多优越性:

① 晶体管的构件是没有消耗的。无论多么优良的电子管,都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因,晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善,晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍,称得起永久性器件的美名。

② 晶体管消耗电子极少,仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去,这对电子管收音机来说,是难以做到的。

③ 晶体管不需预热,一开机就工作。例如,晶体管收音机一开就响,晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后,非得等一会儿才听得到声音,看得到画面。显然,在军事、测量、记录等方面,晶体管是非常有优势的。

④ 晶体管结实可靠,比电子管可靠100倍,耐冲击、耐振动,这都是电子管所无法比拟的。

⑤ 晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,放热很少,可用于设计小型、复杂、可靠的电路。

⑥ 晶体管的制造工艺虽然精密,但工序简便,有利于提高元器件的安装密度。

一个比较直观易懂的视频:

http://www.365yg.com/a6558678565682938375/#mid=1570716855122946

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