二極管邏輯電路工作原理

P-N結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

利用二極管實(shí)現(xiàn)邏輯電路主要是利用了二極管的單向?qū)щ娦?，二極管之所以具有單向?qū)щ娦?，是因?yàn)橹谱鞫O管的半導(dǎo)體中P-N結(jié)的作用，下面首先對P-N結(jié)做一些介紹。

P-N結(jié)是在一塊半導(dǎo)體中，摻入施主（如硅元素）雜質(zhì)，使其中一部分成為N型半導(dǎo)體。其余部分摻入受主雜質(zhì)（如硼元素）而成為P型半導(dǎo)體，當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體這兩個區(qū)域共處一體時，這兩個區(qū)域之間的交界層就是P-N結(jié)。P-N結(jié)很薄，結(jié)中電子和空穴都很少，但在靠近N型一邊有帶正電荷的離子，靠近P型一邊有帶負(fù)電荷的離子。這是因?yàn)?，在P型區(qū)中空穴的濃度大，在N型區(qū)中電子的濃度大，所以把它們結(jié)合在一起時，在它們交界的地方便要發(fā)生電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動.由于P區(qū)有大量可以移動的空穴，N區(qū)幾乎沒有空穴，空穴就要由P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散。同樣N區(qū)有大量的自由電子，P區(qū)幾乎沒有電子，所以電子就要由N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散.隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，P區(qū)空穴減少，出現(xiàn)了一層帶負(fù)電的粒子區(qū)；N區(qū)電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的粒子區(qū)。結(jié)果在P-N結(jié)的邊界附近形成了一個空間電荷區(qū)，P型區(qū)一邊帶負(fù)電荷的離子，N型區(qū)一邊帶正電荷的離子，因而在結(jié)中形成了很強(qiáng)的局部電場，方向由N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)結(jié)上加正向電壓（即P區(qū)加電源正極，N區(qū)加電源負(fù)極如圖1）時，這時電場減弱，N區(qū)中的電子和P區(qū)中的空穴都容易通過，因而電流較大;當(dāng)外加電壓相反（圖2）時，則這時電場增強(qiáng)，只有原N區(qū)中的少數(shù)空穴和P區(qū)中的少數(shù)電子能夠通過，因而電流很小。這就是P-N結(jié)的單向?qū)щ娦?。

圖1

圖2

二極管的單向?qū)щ娦?/p>

二極管多用半導(dǎo)體材料制成，由于其中P-N結(jié)單向?qū)щ娦缘淖饔?，故二極管具有單向?qū)щ娦浴?

（1）正向特性

在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為 0.3V，硅管約為 0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。二極管正向?qū)妷汉艿团c高電壓相比可以近似認(rèn)為為零。如圖6。

（2）反向特性

在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時二極管中幾乎沒有電流流過，此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。

二極管邏輯電路（Diode logic circuit）是用晶體二極管作為操作開關(guān)的邏輯電路。二極管邏輯的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單。但是并不是所有的邏輯功能都可以用二極管邏輯來實(shí)現(xiàn)的，二極管邏輯電路中只有邏輯與門，或門，不能實(shí)現(xiàn)非門。在幾個二極管邏輯電路級聯(lián)的時候會出現(xiàn)電壓降的問題，所以二極管邏輯電路只能單獨(dú)使用，不能級聯(lián)。二極管邏輯的使用：二極管邏輯一般是用于構(gòu)建二極管—晶體管邏輯（DTL）門電路中。

二極管與門電路

如圖，若輸入端中有任意一個例如

若輸入端A，B都處于高電壓 6V，這時，D1和D2都截止，所以輸出端Y點(diǎn)電壓

二極管或門電路

或門電路為：

輸入與輸出電壓之間的關(guān)系表為：

從而得出或門邏輯真值表為：

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們的生活已經(jīng)離不開數(shù)字電路。邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯元件。所謂門就是一種開關(guān)，它能按照一定的條件去控制信號的通過或不通過。門電路的輸入和輸出之間存在一定的邏輯關(guān)系（因果關(guān)系），所以門電路又稱為邏輯門電路?；具壿嬯P(guān)系為“與”、“或”、“非”三種。常用的有CMOS邏輯，TTL邏輯和二極管邏輯，下面是三種邏輯的比較：

（1）二極管邏輯電路優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡單，工作電壓范圍不受限制，用開關(guān)管或超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管可以達(dá)到較高的速度，但驅(qū)動能力相對較弱，功耗相對較大，輸入阻抗相對較低，綜合起來造成扇出系數(shù)很低。并且由于不能實(shí)現(xiàn)邏輯非門，不能級聯(lián)，二極管邏輯的使用是很受限制的。

（2）TTL邏輯電路缺點(diǎn)是電路形式比二極管邏輯電路要復(fù)雜，工作電壓范圍較窄，輸入阻抗高于二極管邏輯電路但不如CMOS邏輯電路，功耗略大，優(yōu)點(diǎn)是速度較高，驅(qū)動能力也較強(qiáng)，綜合起來扇出系數(shù)中等。

（3）CMOS邏輯電路缺點(diǎn)是電路形式比二極管邏輯電路要復(fù)雜，工作電壓范圍寬于TTL邏輯電路但明顯小于二極管邏輯電路，優(yōu)點(diǎn)是速度較高，驅(qū)動能力也較強(qiáng)，而且輸入阻抗極高，綜合起來扇出系數(shù)最大。CMOS比TTL的噪聲容限更大，抗干擾能力，驅(qū)動負(fù)載能力更強(qiáng)。正由于這些優(yōu)點(diǎn)，CMOS的使用占據(jù)了主導(dǎo)地位。2100433B

數(shù)字邏輯電路課程內(nèi)容主要包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、邏輯代數(shù)的基本定律和規(guī)則、邏輯代數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式、組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、數(shù)值比較器、鎖存器和觸發(fā)器應(yīng)用示例、邏輯門電路、組合邏輯電路、組合邏輯功能模塊、時序邏輯電路、時序邏輯功能模塊、半導(dǎo)體存儲器、可編程邏輯器件、脈沖信號的產(chǎn)生與整形、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換等。

發(fā)射極功能邏輯電路是在發(fā)射極耦合邏輯電路基礎(chǔ)上的簡化電路，它在大規(guī)模集成電路中作為內(nèi)部單元電路和在與發(fā)射極耦合邏輯電路配合時，以構(gòu)成各種組合門方面顯示出速度快、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小和功能靈活等優(yōu)點(diǎn)。