了解完二极管和 PN 结原理后，就可以看懂简单的逻辑电路了

  • 载流子
  • 场效应管
  • 与门 AND
    • 二极管实现
    • 继电器实现
    • CMOS 实现
    • NMOS 实现
  • 或门 OR
  • 或非 NOR
  • 与非 NAND

载流子

在物理学中，载流子（charge carrier）简称载子（carrier），指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴）被视为载流子。

— Wiki

在半导体中，电子和空穴作为载流子。数目较多的载流子称为多数载流子；在N型半导体中多数载流子是电子，而在P型半导体中多数载流子是空穴。数目较少的载流子称为少数载流子；在N型半导体中少数载流子是空穴，而在P型半导体中少数载流子是电子。[1]

— Wiki

场效应管

场效应管（英语：field-effect **transistor，缩写：FET）是一种通过电场效应控制电流的电子元件。

它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。

— Wiki

G 栅极通过控制电压，控制 P 沟道的载流子，从而控制 PN 结的宽度，参考：场效应管及其放大电路

在 Vgs 为 0 时，PN 结最小，导电 N 沟道最宽，导电性能最好

当 Vgs 负电压增大，电子流入 P 沟道，P 沟道载流子减少，N 沟道为平衡 PN 结的内电场，N 沟道的载流子也变小，从而导致 PN 结变宽。

Vds 的原理大致与 Vgs 相同

当 Vds 增强时，也会出现沟道夹断的情况。

此处还待进一步思考

与门

二极管电路实现

vcc：电路供电电压 为10v，假设 3v 以上为高电平，3v 以下为低电平。参考：二极管与门电路原理

0_1328201398t6qs

ua ub uy
0（正偏）/ 0 0（正偏）/ 0 0.7v / 0
3v （反偏）/ 1 0 （正偏）/ 0 0.7v / 0
0 （正偏）/ 0 3v （反偏）/ 1 0.7v / 0
3v （正偏）/ 1 3v （正偏）/ 1 3.7v / 1

继电器实现

  • 仅 A、B 都为高电平，使继电器将开关闭合，从而使得 Y 导通为高电平。

200px-relay_and svg

CMOS与门

PN结指向内的为NMOS管, PN 结指向外部的为 PMOS [4]

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。   PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。[5]

T1, T2, T5 为 PMOS，0 导通，1 不导通

T3，T4，T6 为 NMOS，1 导通，0 不导通

A，B T1，T2，T3，T4 T5，T6 栅极 T5，T6 Y
0，0 通，通，不通，不通 1 不通，通 0
1，0 不通，通，通，不通 1 不通，通 0
0，1 通，不通，不通，通 1 不通，通 0
1，1 不通，不通，通，通 0 通，不通 1

500px-cmos_and svg

NMOS 与门

假设与 a 直连的 NMOS 为 T1，与 b 直连的 NMOS 为 T2，与 F 直连的为 T3

  • 仅 a、b 都为 1 时，T3 栅极为低电平，从而 T3 不导通，导致 F 为高电平
  • 其余情况，任意 a、b 为 0 时，与 T3 栅极为高电平并导通，使得 F 接地，为低电平。

nmos_and_gate

或门

5bafa40f4bfbfbed37bb4ed672f0f736aec31fbc

A B L
0（正偏）/ 0 0（正偏）/ 0 0v / 0
5v （正偏）/ 1 0 （反偏）/ 0 5v / 1
0 （反偏）/ 0 5v （正偏）/ 1 5v / 1
5v （正偏）/ 1 5v （正偏）/ 1 5v / 1

非门

  • a 高电平时，F 接地为低电平，反之成立

nmos_not

或非 NOR

或非门具有函数完备性，和与非门一样可以仅用其实现其他所有的逻辑功能。

电路图如下，并假设与 a 直连的 MOS 为 T1，与 b 直连的 MOS 为 T2

当 a、b 中任意一个为高电平，则 F 和 GND 连接为低电平，只有 a、b 都为低电平时，F 才为高电平。

输入A B 输出A NOR B
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

与非 NAND

NMOS CMOS

NMOS, 仅 A，B 都为高电平使得 T2，T3 导通，Y 才为低电平

CMOS 如下：

A，B T1，T2，T3，T4 Y
0，0 通，通，不通，不通 1
0，1 通，不通，不通，通 1
1，0 不通，通，通，不通 1
1，1 不通，不通，通，通 0

References

  1. 二极管与门电路原理
  2. 场效应管及其放大电路
  3. 逻辑门
  4. 如何判断NMOS管和PMOS管？

  5. NMOS & PMOS

    ​