Физические основы электроники

Светлой памяти моей жены, профессора Московского государственного 
университета культуры и искусства Нины Васильевны 
Бобылевой, посвящается 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены 
редсовета 

И.В. 
ДЕМЕНТЬЕВ 

A. 
П.ДМИТРИЕВ 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 

В.В. 
КУРЕХИН 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 

В.И. 
ОСИПОВ 

э.м. 
СОКОЛОВ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 

В.В. 
ХРОНИН 

B. А. 
ЧАНТУРИЯ 

Е.И. 
ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

В Ы С Ш Е Е Г О Р Н О Е О Б Р А З О В А Н И Е 

Ю . Н . 
Б о б ы л е в 

ФИЗИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ 
ЭЛЕКТРОНИКИ 

Издание 2-е, стереотипное 

Рекомендовано 
Министерством 
образования 
Российской Федерации в качестве учебного 
пособия 
для студентов 
высших учебных 
заведений, 
обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 3 

УДК 621.382.2/3(075.8) 
ББК 31.264.5 
Б 72 

Рецензенты: 

кафедра Машин и автоматизации сварочных процессов 
МГТУ им. Н.Э. Баумана 
(проф., д-р техн. наук, чл.-корр. РИА Э.А. 
Гладков), 
кафедра Электротехники и интроскопии МЭИ 
(проф., д-р техн. наук ВВ. 
Сухорукое) 

Бобылев Ю.Н. 

Б 72 
Физические основы электроники: Учеб. пособие для вузов. — 2-е изд., стер. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. — 290 с. 

ISBN 5-7418-0130-7 
Рассмотрены основные вопросы физики полупроводников, 
описаны элементная база и современные устройства промышленной 
электроники, элементы импульсной и цифровой схемотехники. Приведены методики и основные расчетные соотношения для анализа 
работы элементов и отдельных устройств электроники, в конце каждой главы даны контрольные вопросы. В пособии дан список современной литературы по физическим основам электроники. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических 
комплексов». Может быть рекомендовано также для специальностей 
«Электроснабжение горного производства» и «Технология машиностроения». 

УДК 621.382.2/3(075.8) 
ББК 31.264.5 

ISBN 5-7418-0130-7 
© Ю.Н. Бобылев, 1999, 2003 
© Издательство МГГУ, 1999, 2003 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Многолетний опыт преподавания в Московском государственном горном университете (МГГУ), опыт работы автора на 
предприятии по эксплуатации, ремонту и наладке устройств 
электроники в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами послужили основой для 
создания этого учебного пособия. Рассматриваемые элементы 
и устройства полупроводниковой техники широко применяются на предприятиях горно-металлургического комплекса. 

В первой главе кратко изложены физические основы полупроводников: их энергетические зоны, генерация и рекомбинация носителей заряда, собственная и примесная электропроводность полупроводников, энергетические уровни доноров и акцепторов. Показаны закономерности движения носителей заряда, приводятся уравнения плотности тока. 

Во второй главе рассмотрены контактные явления в полупроводниках: работа плоскостного электронно-дырочного 
перехода, эффект выпрямления в р—«-переходе, 
пробой р—пперехода. 

В третьей главе описана работа наиболее широко применяемых приборов: полупроводниковых диодов, биполярных 
транзисторов, тиристоров, полевых (униполярных) транзисторов, излучающих полупроводниковых приборов, полупроводниковых приемников излучения, термисторов, варисторов. 
Даны обозначения полупроводниковых приборов. 

В четвертой главе рассматриваются задачи и принципы 
микроэлектроники: роль полупроводниковых приборов как 
элементов полупроводниковых микросхем. Дается описание и 
обозначение полупроводниковых и гибридных интегральных 
микросхем, показывается преимущество интегральных микросхем и надежность их работы. 

В пятой главе дается анализ работы усилителей: общие 
сведения и их классификация, параметры и характеристики, 
работа усилительных каскадов в разных режимах. Рассматриваются усилительные каскады на биполярных транзисторах 

5 

с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. 
Приводятся 
динамические 
характеристики 
усилительного 
каскада, принцип работы усилителей напряжения с резисторно-емкостной связью, работа усилителей мощности. Описываются усилители с обратной связью, усилители постоянного 
тока. Рассматривается работа дифференциальных усилителей, 
операционных и избирательных RC-усилителей. 

Шестая глава содержит необходимый материал по работе 

RC- и LC-автогенераторов, рассматриваются вопросы стабилизации частоты автогенераторов. 

Седьмая глава содержит материал по выпрямителям и стабилизаторам: рассматриваются однофазные выпрямители, сглаживающие фильтры, внешние характеристики выпрямителей, 
приводятся схемы умножителей напряжения, трехфазных выпрямителей и описывается их работа. Приводятся схемы стабилизаторов напряжения, тока и рассматривается их работа. 

В восьмой главе даны общие сведения и рассмотрена работа преобразователей постоянного напряжения с самовозбуждением, с независимым возбуждением, преобразователей 
на тиристорах (инверторы тока и напряжения). 

В девятой главе, посвященной импульсной и цифровой 
технике, рассматриваются: применяемые 
сигналы, 
работа 
транзистора в импульсном режиме, работа логических элементов, дифференцирующие и интегрирующие цепи, интеграторы и дифференциаторы на операционных усилителях, ограничители на микросхемах операционных усилителей. Описывается 
работа 
мультивибраторов, 
блокинг-генераторов, 
триггеров, счетчиков импульсов, регистров сдвига, шифраторов и дешифраторов, цифроаналоговых и аналого-цифровых 
преобразователей, рассматриваются особенности микропроцессорных контроллеров. 

Для более глубокого усвоения материала в конце каждой 
главы даны контрольные вопросы. 

Существующая литература по рассматриваемому материалу разрознена, что значительно затрудняет изучение его 
студентами. Данное учебное пособие предназначено устранить пробел и помочь студентам в освоении курса. Может 
быть полезно и студентам специальностей 1004 (ЭС) и 1201 
(ТМ). 

Автор с благодарностью примет замечания и предложения, направленные на улучшение учебного пособия. 

6 

Г л а в а 
1 

Физика полупроводников 

1.1. Энергетические зоны полупроводников 

Полупроводники при комнатной температуре 
имеют 
удельное электрическое сопротивление р в пределах от 1(Г

310~2 до 108-10Ю Ом-см (1 Ом-см = 10" Om-mmVm). 

Проводники (металлы) имеют значительно меньшее сопротивление (10~

6-10~

4 Ом-см). Материалы со значительно большим сопротивлением (10

1 8-10

2 4 Ом-см) называются 
изоляторами. 

Сопротивление чистых полупроводников сильно зависит 
от температуры, с ростом которой сопротивление не увеличивается, а уменьшается, в сравнении с проводниками. У 
металлов температурный коэффициент сопротивления составляет +(0,4-0,6) % на 1 °С, а для полупроводников фактически -(5-6) % на 1 °С и более. 

При добавлении примеси в чистый полупроводник его 
удельное сопротивление сильно уменьшается. Например, 10~

5 % 
мышьяка в германии снижает его сопротивление в 200 раз. 

Основные материалы, используемые в современной полупроводниковой технике, — кремний, карбид кремния, арсенид галлия и германий. 

Физика работы полупроводниковых приборов основана 
на явлении электропроводности в твердых телах, где действует 
система разрешенных энергетических зон, каждая из которых 
состоит из близко расположенных уровней. Эти зоны могут 
перекрывать друг друга или разделяться одна от другой интервалами, которые называются запрещенными зонами. При 
возрастании энергии ширина разрешенных зон увеличивается, 
а ширина запрещенных зон уменьшается (рис. 1.1). 

В твердом теле энергетические зоны могут быть в различной степени заполнены электронами. Разрешенная зона, в 
которой при абсолютном нуле температуры все энергетичес
7 

Рис. 1.1 

Запрещенные 
гоны 

кие состояния заняты электронами, называется заполненной зоной. 
В полупроводниках верхняя заполненная зона называется 
валентной. Разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры электроны отсутствуют, 
называется свободной. 
Свободная 
зона, на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны, носит название зоны проводимости. 

В полупроводниках 
обычно 
рассматривают запрещенную 
зону, разделяющую 
валентную 
зону и зону проводимости, которые при исследовании процессов электропроводности представляют наибольший интерес. 

Под шириной запрещенной зоны ез понимают разность 
энергий между нижним уровнем (дном) зоны проводимости 
(свободной зоны) ее и верхним уровнем (потолком) валентной 
зоны е в: 

Еэ = Ес-Ев. 
(1.1) 

в 

Зона 
приводимости 
ссбоЗооная) 

Запрещенная 
зона 

&о_лентная 
зона 
(зал 
огненная; 

Ширина 
запрещенной 
зоны 
является основным 
параметром, 
определяющим электрические свойства твердого тела. Для перехода электрона 
из низшей 
энергетической зоны в высшую требуется затратить энергию, равную 
ширине разделяющей их запрещенной зоны. 

Способность 
твердого 
тела 
проводить ток под действием электрического поля зависит от струк
Рис. 1.2 

8 

туры энергетических зон и степени их заполнения электронами. Диаграмма распределения энергетических зон у диэлектриков показана на рис. 1.2. 

При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами. Зона разрешенных уровней 
совершенно пуста (свободная зона), а запрещенная зона достаточно широка. Поэтому при абсолютном нуле, отсутствии 
света и несильном внешнем электрическом поле твердое тело 
с подобным строением энергетических зон является совершенным изолятором. При повышении температуры или освещении диэлектрика электроны из валентной зоны могут проходить в зону проводимости. Вероятность таких переходов 
увеличивается с ростом температуры. Однако токи в диэлектриках очень малы. Чем больше ширина запрещенной зоны, 
тем меньше вероятность передачи электрону энергии, необходимой для перехода в зону проводимости, и тем боль-ше сопротивление диэлектрика. Обычно с повышением 
температуры ширина запрещенной зоны уменьшается. Для диэлектриков ширина запрещенной зоны составляет 5-10 эВ и выше. 

Полупроводники 
имеют 
аналогичное 
с 
диэлектриками 
строение энергетических зон. Разделение твердых тел на полупроводники и диэлектрики является условным. При достаточно 
высокой температуре 
диэлектрик ведет себя как 
полупроводник, а любой чистый полупроводник при низких 
температурах 
подобен 
диэлектрику. 
Обычно к полупроводникам 
относят 
твердые тела, у которых ширина запрещенной зоны не превышает 1,5-2 эВ. 

1.2. Генерация и рекомбинация 
носителей зарядов 

Наиболее широко применяют в полупроводниковой электронике элементы IV группы периодической системы элементов Менделеева — германий Ge и кремний Si. У элементов IV 
группы имеются четыре валентных электрона. В идеальном 
кристалле германия или кремния все ковалентные связи заполнены, все электроны связаны. Идеальный кристалл полупроводника (германия) при близкой к абсолютному нулю 
температуре является практически диэлектриком. 

9 

При температуре Т > О К часть электронов под действием 
теплового механизма возбуждения разрывает ковалентные 
связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости. 
Среднее время, в течение которого электрон находится в возбужденном состоянии, т.е. время его пребывания в зоне проводимости, называется временем жизни электрона. Одновременно с появлением электронов в зоне проводимости в валентной зоне возникают незаконченные связи вблизи тех атомов, 
от которых эти электроны отделились. Не занятое электронами энергетическое состояние валентной зоны называется дыркой проводимости. 

Таким образом, под действием тепла или света происходит процесс образования или генерации пары электрон проводимости — дырка проводимости. Дырка в электрическом и 
магнитных полях ведет себя как частица с положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона; 
масса дырки примерно равна массе электрона. После своего 
появления дырка совершает хаотическое движение в течение 
некоторого времени, которое принято называть временем жизни, а затем рекомбинирует 
с электроном. В зоне проводимости электроны занимают наиболее низкие уровни энергии (оседают на «дно» зоны проводимости); дырки, наоборот, занимают самые высокие уровни — всплывают к «потолку» валентной зоны. 

При наличии свободных электронов в зоне проводимости и 
дырок в валентной зоне кристалл приобретает 
способность 
проводить электрический ток. Проводимость кристалла определяется при этом числом свободных электронов в зоне 
проводимости и свободных энергетических уровней в валентной зоне. Незанятая связь (дырка) в валентной зоне может 
быть занята электроном, который перейдет с нейтрального 
атома кристалла. Там, где был электрон, появляется новая 
незаполненная связь и т.д. Процесс последовательного 
заполнения свободной связи эквивалентен движению дырки в кристалле полупроводника. Во внешнем электрическом поле электроны дрейфуют в сторону, противоположную направлению 
электрического поля, а дырки — в обратном направлении (в 
направлении внешнего электрического поля). 

10