门电路内部原理

目录

前言

1、继电器

2、电子管

      知识点

3、二极管

4、晶体管

5、MOS管

总结：构造门电路

前言

晶体管-->门电路-->组合逻辑电路-->时序逻辑电路-->CPU运算电路

这整体一套就可以搭建自己的CPU系统，就可以完全弄懂CPU。

话说在设计数字逻辑电路时所用到的最基本是门电路，门电路本身就是一种逻辑存在，这也算是一种“封装”吧，我们在使用的时候不用去考虑门的内部结构，熟练掌握接口就OK，这些接口无非也就是输入、输出、控制。本文的重心不在讨论如何使用门电路，而是如何使用物理结构实现门电路。 

这个图片是我举的一个例子，其实现在做单片机和一些嵌入式，通常都要看大量的芯片手册，来了解这些芯片的接口含义和具体使用的控制方法，不需要了解芯片内部的具体物理电路实现，这一层是用芯片的开发者，将芯片的使用从硬件搬到软件语言，供其上层开发者来用，我记得Linux中有一句话“提供机制而不是策略”，大概就是为上层提供接口，本层来实现这个接口，两者互不干涉。 

我想点开这篇文章的你，应该了解门电路吧，门电路是用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。

常用的门电路在逻辑功能上有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。这里就不细说这些门电路，主要我们后面是如何实现这些门电路。

“门”电路，这个门加了一个引号，是什么意思？

我们生活中的门是什么，不就是门吗，一个可以组织生物进出的开关而已，然而计算机中的门就是这个意思，当把许许多多的门按一定要求连接在一块的时候，给接口引入电流，从另外的接口就有输出结果流出，里面全部用开关来实现逻辑，那么我们就来看看这个门。门=开关

1、继电器

之前看过一本书《编码》，这本书里大致内容：从古代通信开始，传递信息和数字编码。接着用灯泡和开关来进行实现电路，接着继电器被发现，用继电器来充当开关使用，用电路来进行驱动继电器，用继电器和灯泡实现了门电路，并用基本的门电路来进行逻辑组合，实现了各种触发器、存储器、编码译码器、加法器等。直到后面设计CPU时，还设计了CPU指令集，因为要编写程序指令来使用，但是编写指令太困难太繁琐，因此将机器语言(指令集)升级为汇编语言。最后提到了操作系统和总线的一些历史和基本知识，总体写的不错，豆瓣评分高推荐大家去看看。

这些图片是我总结“编码”里面的，用继电器来实现基本门电路。继电器在上面的逻辑电路中作用：开关 

2、电子管

1946年2月14号，取名为ENIAC的第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生。世界上第一台计算机用1.8万只电子管，占地170m*2，重30t，耗电150kW。

构造门电路需要什么：开关特性，这里说明一下真空二极电子管

1883年，美国科学家爱迪生为了寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一项小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。实验结果使爱迪生大失所望，但在无意中，他发现，没有连接在电路里的铜丝却产生了微弱的电流。爱迪生并不重视这个现象，只是把它记录在案，申报了一个未找到任何用途的专利，称之为“爱迪生效应”。所谓的“爱迪生效应”，实际上就是一种热电子效应。通过下面的实验，可以证明炽热的灯丝表面会有电子产生。增加一个带正电的电极，便会将电子吸引过来，呈现出电子发射现象。

其实简单的说就是：灯丝加热后内部的电子会逃逸出来，在真空管内部可以自由移动，在外加电场的作用下使这些自由电子进行定向的移动，最终产生电流。如果电场反置，将阻止电流的产生。-单向导通性。

知识点

分子与原子

分子是独立存在而保持物质化学性质的最小粒子

原子是构成化学元素的基本单元和化学变化中的最小粒子，由原子核和绕核运动的电子组成

失去电子呈现正离子，得到电子呈现负离子。

气体、液体、固体，组成这三态的分子间隔不同，我们可以直接存在于气体分子之中，可以很少阻力的在气体分子中进行活动；在大多数的液体中我们也可以直接进入，比如把手放进水里面，就相当于我们人体分子进入水分子；但是对于固体而言，我们无法进入其中，因为其分子间隔太小。

价电子：价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子（大多数是最外层电子）

原子实：原子核加上除价电子以外的所有电子

原子坍塌

原子核带有正电荷，而电子的电荷的负的，所以原子核和电子之间有吸引力，类似太阳对行星的吸引力。电子为了不掉到原子核上，就必须绕着原子核高速运动，让离心力和吸引力达到平衡。但是这有一个严重的问题，那就是电子绕着原子核运动就是加速运动，而电荷的加速运动必然会产生电磁波辐射。按照麦克斯韦的电磁场理论进行计算，立刻就发现电子的电磁波辐射会很强，几乎瞬时就会损失掉全部的动能落到原子核上。

能级理论

物理学家玻尔提出：电子在原子核内并不是绕着原子核做疯狂的圆周运动，而是处于一些稳定的轨道上，在这些轨道上不会产生电磁波辐射，只有电子在这些稳定的轨道（也称为“能级”）之间跳动（也称为“跃迁”）时，才吸收或者发出光子，光子的能量就是两个轨道的能级之差，因此光子的能量就是“量子化”的，这就是最早的波尔原子模型。由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。

原子核外电子排布规律

1、泡利不相容定理：每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反配对

2、能量最低理论：电子尽可能占据能量最低的轨道

3、洪特规则：简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子

能带理论

上面提到的能级理论，说明了原子核外的电子是能级分布的，所以产生了能级。

孤立原子的外层电子可能取的能量状态（能级）完全相同，但当原子彼此靠近时，外层电子就不再仅受原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用，这使电子的能量发生微小变化。原子结合成晶体时，原子最外层的价电子受束缚最弱，它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用，已很难区分究竟属于哪个原子，实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。原子间距减小时，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。共有化程度越高的电子，其相应能带也越宽。

孤立原子的每个能级都有一个能带与之相应，所有这些能带称为允带。

相邻两允带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态，称为禁带。

被电子占满的允带称为满带。满带中的电子不能参与宏观导电过程。

无任何电子占据的能带称为空带。

价电子所填充的能带称为价带。

由自由电子形成的能量空间称为导带。金属价带和导带间不存在禁带，所以金属价带就是导带。

载流子：电流载体，称载流子，在物理学中载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。

导体

导体是指电阻率很小且易于传导电流的物质。导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。在外电场作用下，载流子作定向运动，形成明显的电流。金属是最常见的一类导体。金属原子最外层的价电子很容易挣脱原子核的束缚，而成为自由电子，留下的正离子（原子实）形成规则的点阵。

电解质的溶液或称为电解液的熔融电解质也是导体，其载流子是正负离子。通常情形下，气体是良好的绝缘体。如果借助于外界原因，如加热或用x射线、y射线或紫外线照射，可使气体分子离解，因而电离的气体便成为导体。

半导体

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。与金属或电解液的情况不同，半导体中杂质的含量以及外界条件的改变（如光照，或温度、压强的改变等），都会使它的导电性能发生显著变化。

本征半导体

完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体，电子-空穴对的产生而形成的混合型导电。制作CPU的纯净半导体高达99.999999999%的纯度。本征半导体的导电能力主要由其本征激发决定。（主要有硅、锗材料）

本征激发

在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。

自由电子与空穴

空穴导电并不是实际运动，而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。 [2]  它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。

导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光，也就是释放光子）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡。

杂质半导体（N型/P型半导体）

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。

掺入三价元素为P型半导体

掺入五价元素为N型半导体

PN结

这个概念比较重要，因为这是后面好多特性管子的基础

理解这个PN结对理解后面的晶体管很重要，理解这个PN结要理解能带理论，能带理论根据量子理论将电子分布分成层级，将能量量子化，在晶体中可以产生能带，为这个PN结的产生提供可实现基础。

导带

施主能级（5价掺杂的额外电子）

受主能级（3价掺杂的空穴位置）

价带

（什么意思：最外层电子很容易到达受主能级，施主能级的电子很容易到达导带也就是成为自由电子）

 具体要弄懂PN结这个东西具有单向导通性，那么这个东西是否可以作为我们的开关呢？

3、二极管

其实主要的就是理解PN结的原理。前面提到的二极管是电子管制作的，这里要说的二极管是由半导体构成的。

这些是基本的二极管符号

二极管主要的功能：单向导电

上面说到了PN结，二极管就是由一个PN结构成的，单向导通性，正偏导通电路，反偏截至。

正偏时：内电场被强制越过，电子移动产生电流

反偏时：增强内电场，电子无法越过，截止电流（但是反向是可以击穿的）

4、晶体管

TTL电路，也就是晶体管电路，由两个PN结组成，接下来主要说明双极晶体管的原理。双极结型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。

在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。

用一个电流来驱动另一个电流（晶体管为：电流驱动）

在这个图中解释了，三极管的基本原理，三极管还有很多特性，这里只说明其开关特性，使其工作在饱和区和截止区就可以满足我们的需求。

5、MOS管

上面说到的晶体管，是双极晶体管，这里说到的场效应管是单极晶体管

FET：场效应管

JFET：结型场效应管

MOSFET：金属-氧化物半导体场效应晶体管

CMOS：互补金属氧化物半导体

用电压来驱动电流（场效应管为：电压驱动）

总结：构造门电路

根据上面说的二极管、晶体管、场效应管，虽然只说明了其部分使用原理，但是对于构造门电路，从原理上已经可以了，此外这些电子器件还有很多特性，还有很多的电路如：放大电路、反馈电路、集成运放、振荡电路、滤波电路、整流电路等很多不在说，因为我们只关心门电路也就是开关作用。还有一些电路的参数也抛开不谈，那样我觉得会加大理解难度，这篇文章主要从原理弄明白大概是如何构造的。

二极管与、或门

三极管非门

TTL非、与非、或非、与或非门

CMOS非、与非、或非、异或、三态门

这里再说一下TTL反相器，（硅管正偏压降0.7V）

对于这个总结，还有很多没有提到，我也可能存在一些理解偏差，还望大家能指出。要学习更多的还得更加深入了解。

最后

以上就是开朗信封为你收集整理的门电路内部原理的全部内容，希望文章能够帮你解决门电路内部原理所遇到的程序开发问题。

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