Электроника

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего образования

«Волгоградский государственный аграрный университет»

А.П. Евдокимов
Р.А. Евдокимов

ЭЛЕКТРОНИКА

Курс лекций по дисциплине «Электроника и микропроцессорная

техника» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»,

профили: «Электроснабжение», «Релейная защита и автоматизация

электроэнергетических систем» (все формы обучения)

Волгоград

Волгоградский ГАУ

2018

УДК 621.38
ББК 32.85
Е-15

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Электротехника» ФГБОУ ВО Волгоградский ГТУ Л.В. Хоперскова; доктор технических наук, профессор кафедры «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий АПК» ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ 
В.Г. Рябцев

Евдокимов, Алексей Петрович

Е-15
Электроника: курс лекций по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» для студентов, обучающихся по 
направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профили: «Электроснабжение», «Релейная защита и 
автоматизация электроэнергетических систем» (все формы обучения) / А.П. Евдокимов, Р.А. Евдокимов. – Волгоград: ФГБОУ 
ВО Волгоградский ГАУ, 2018. – 116 с.

В курсе лекций рассматриваются вопросы физики полупровод
ников, принцип действия выпрямительных диодов, фото- и светодиодов, биполярных и полевых транзисторов и других электронных приборов. Поясняются принципы построения усилительных каскадов на 
дискретных элементах, а также функциональных устройств на основе 
операционных усилителей. Значительное внимание уделено элементам цифровой техники, что крайне важно для понимания второй части 
курса, посвященной микропроцессорным средствам. 

УДК 621.38 

ББК 32.85 

©
ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2018

©
Евдокимов А. П., Евдокимов Р. А., 2018

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Электроника и микропроцессорная техника» чрез
вычайно важна для студентов электроэнергетического профиля. Электроснабжение, релейная защита и автоматизация электроэнергетических 
систем требуют специалистов, глубоко разбирающихся в современной 
электронике, бурное развитие которой длится уже целый век. Особенно 
стремительным развитие электроники стало с изобретением транзисторов, современных оптоэлектронных приборов и микропроцессоров.

С появлением технологических возможностей размещения на 

одном кристалле сотен тысяч электронных компонентов, в электронной технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем – микроконтроллеры. Микроконтроллеры относят к так 
называемым встраиваемым системам, поскольку они размещаются 
непосредственно в технологическом оборудовании и предназначены 
для управления им. Возможности микропроцессорной техники столь 
велики, что сегодня можно говорить уже не об автоматизации технологических процессов, а о компьютеризации процессов и производств. 

Однако в первой части курса разговор о современной электро
нике мы начнем с основ – физики полупроводников. Без понимания 
процессов, происходящих в электронных приборах, невозможно грамотно их применять, находить неисправности в устройствах, выяснять 
причины неустойчивой работы управляющих систем. 

Помимо физических основ в первой части курса будет уделено 

большое внимание схемотехнике аналоговых устройств: усилителям и 
функциональным устройствам на их основе, а также генераторам. 
Ведь прежде чем микроконтроллер приступит к обработке цифрового 
сигнала, необходимо усилить аналоговый сигнал, приходящий с датчика, и преобразовать его в цифровой код, а сам микроконтроллер не 
может работать без задающего генератора. Кроме того, управляющие 
сигналы на выходе микроконтроллера слишком слабы, чтобы непосредственно управлять технологическим процессом, поэтому вновь 
потребуются усилители.

Особенностью микропроцессоров является не только то, что они 

содержат огромное количество элементов, но и то, что эти элементы 
однотипны. Разновидностей элементов, применяемых в цифровой 
технике, не так уж много, и изучить их – вполне посильная задача. 

Во второй части курса мы сосредоточимся на изучении структу
ры микроконтроллера, а главное – научимся писать программы и заносить их в память микроконтроллера, без чего он не может функционировать.

Но всё – по порядку!

1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

1.1 ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД И ЕГО СВОЙСТВА

1.1.1 Основы электронной теории

Все физико-химические свойства материала определяются его 

внутренней структурой, числом электронов в атоме и типом связи, которой он связан с соседями.

Атом любого вещества состоит из положительно заряженного 

атомного ядра и движущихся вокруг него электронов – носителей отрицательного заряда. 

Орбиты, по которым движутся электроны, различно расположе
ны в пространстве и образуют вокруг ядра электронные слои. Электроны одного и того же слоя имеют почти одинаковую энергию. Такой набор стационарных состояний электрона в атоме с близкими 
значениями энергии называется энергетическим уровнем. Уединенные атомы одного химического элемента имеют полностью совпадающие схемы энергетических уровней. По мере сближения атомов, 
между ними усиливается взаимодействие, которое приводит к изменению положения уровней. Вместо одного одинакового для всех атомов уровня возникают очень близкие, но не совпадающие уровни, образующие зоны.

Рисунок 1.1 – Схемы энергетических уровней одиночного 

атома и атомов в кристалле

Нижние, слабо расщепляемые зоны заполняются электронами, 

не утратившими прочной связи с ядром. Они не участвуют в транспортировке заряда внутри материала.

Электроны, вращающиеся на последней, внешней орбите, назы
ваются валентными электронами. Валентные электроны наиболее 
слабо связаны с ядром, взаимодействие их обеспечивает соединение 
атомов в молекулы или в кристаллическую решетку. Энергетическая 
область разрешенных электронных состояний, заполненная валентными электронами при 𝑇 = 0К называется валентной зоной.

Валентная зона не является последней энергетической областью, 

где могут находится электроны. При повышении температуры электроны могут переходить на более высокие энергетические уровни. 

Первая из незаполненных электронами зон, где могут находится 

электроны при повышении температуры, называется зона проводимости. Электроны этой зоны слабо связаны с ядром атома, поэтому могут легко совершать беспорядочное движение от атома к атому, обеспечивая высокую электропроводность

Область значений энергий, в которых нахождение электрона 

маловероятно называется запрещенной зоной.

С точки зрения зонной теории деление веществ на проводники, 

полупроводники и диэлектрики определяется тем, как заполнена электронами при температуре 0 К валентная зона кристалла: частично или 
полностью.

Рисунок 1.2 – Энергетические схемы диэлектриков,

полупроводников и проводников при низких температурах

Энергия, которая сообщается электронам даже слабым электри
ческим полем, сравнима с расстоянием между уровнями в энергетической зоне. Если в зоне есть свободные уровни, то электроны, возбужденные внешним электрическим полем, будут заполнять их. Кванто

вое состояние системы электронов будет изменяться, и в кристалле 
появится преимущественное (направленное) движение электронов 
против поля, т.е. электрический ток. Такие тела (рис.1.2) являются 
проводниками.

Если валентная зона заполнена целиком, то изменение состоя
ния системы электронов может произойти только при переходе их через запрещенную зону. Энергия внешнего электрического поля такой 
переход осуществить не может. В таких кристаллах (рис. 1.2) внешнее 
электрическое поле не вызовет появление электрического тока, и они 
будут непроводниками (диэлектриками). 

1.1.2 Собственная проводимость полупроводников

Наиболее широко в качестве полупроводников применяется 

кремний (Si), германий (Ge) – реже, а также некоторые химические 
соединения: арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), фосфид 
индия (InP) и др.

На внешних оболочках атомов кремния и германия находятся 

по 4 валентных электрона. В кристаллической решетке атомы связаны друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной (парноэлектронной). В образовании этой связи от 
каждого соседнего атома участвует по одному валентному электрону, т.е. соседние атомы в кристалле принимают совместное 
участие в образовании ковалентной связи. Электроны удерживаются положительными ионами кремния друг возле друга, поэтому 
электроны бóльшую часть времени проводят в пространстве между 
соседними атомами.

Повышение температуры приводит к увеличению энергии элек
тронов и переходу на более высокие уровни. Для полупроводников 
характерно близкое расположение между высшими уровнями заполненной валентной зоны и низшими уровнями зоны проводимости. Поэтому, хотя при низких температурах они совершенно не проводят 
электричества, но уже при небольшом повышении температуры многие электроны в полупроводнике перескакивают в незаполненную зону проводимости и полупроводник приобретает электропроводность, 
обусловленную движением свободных электронов.

Валентная зона вследствие перескока из нее в верхнюю зону не
которых электронов становиться частично незаполненной. Возникшие 
на некоторых уровнях «свободные места» под действием электрического поля заполняются электронами, имевшими еще меньшую энергию и получившими дополнительную энергию в электрическом поле. 

Поэтому «свободное место» – «дырка» перемещается в направлении, 
противоположном перемещению электронов. Дырка перемещается
как положительный заряд. Но это движение в действительности является только проявлением перемещений ряда электронов под действием поля.

Следует напомнить, что уровни энергетических состояний отно
сятся не к одному атому, а к кристаллу. Движение между уровнями 
соответствует перемещению электронов от одного атома к другому. 

Рисунок 1.4 – Плоскостная схема кристаллической решетки кремния и 

процесс образования дырки в полупроводнике без примесей

При наложении внешнего электрического поля свободные элек
троны и дырки приходят в упорядоченное движение, т.е. появляется 
электрический ток. 

Рисунок 1.3 – Энергетические схемы полупроводника при разных 

температурах

Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них 

свободных электронов называется электронной проводимостью или 
проводимости типа n (от латинского слова negative – отрицательный).

Проводимость полупроводника, вызванная движением дырок, 

называется дырочной или проводимостью типа p (от латинского слова 
positive – положительный).

Общий ток, вызванный электронной и дырочной проводимостя
ми, определяется как 𝐼общ = 𝐼𝑛 + 𝐼𝑝, где 𝐼𝑛 – электронный ток, 𝐼𝑝 – дырочный ток.

Проводимость, возникающая в полупроводнике вследствие 

нарушения ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

Сильная зависимость концентрации носителей заряда от темпе
ратуры привела к ограниченному использованию чистых полупроводников при создании полупроводниковых устройств.

1.1.3 Примесная проводимость полупроводников

Собственная электропроводность полупроводников невелика. 

Повысить электропроводность полупроводников можно путем введения в их структуру примеси. В этом случае дополнительно к собственной возникает еще и примесная проводимость.

Примесные полупроводники в меньшей степени зависят от тем
пературы, т.к. их электропроводность в основном определяется концентрацией примеси. При легировании используются примеси с 
большим или меньшим числом валентных электронов относительно 
собственного полупроводника. В зависимости от характера введенной 
примеси полупроводники разделяют на два типа: n- и p-типа.

Рисунок 1.5 – Процесс образования свободного электрона 

и влияние донора на энергетическую схему электронных уровней

в полупроводнике

Если к германию (Ge) или кремнию (Si) с валентностью IV до
бавить небольшое количество элементов с валентностью V (на внешней оболочке атома находится 5 электронов), например, сурьмы (Sb), 
или мышьяка (As), или фосфора (P), то атомы примеси взаимодействуют с атомами полупроводника только четырьмя своими электронами, а пятый электрон является лишним и будет слабо связан с ядром 
(см. рис 1.5). Вследствие теплового движения все лишние электроны 
становятся свободными.

Примеси которые сообщают полупроводнику преимущественно 

электронную проводимость называют донорными. Полупроводники с 
повышенной концентрацией свободных электронов относят к полупроводникам n-типа.

Промежуточные уровни, созданные примесью и заполненные 

электронами, расположены близко к зоне проводимости. При повышении температуры электроны с промежуточных уровней, созданных 
примесью, легче могут перескочить в зону проводимости, чем электроны из заполненной зоны.

В полупроводнике n-типа основными носителями являются 

электроны, а неосновными – дырки.

Рисунок 1.6 – Процесс образования свободного электрона и

влияние акцептора на энергетическую схему электронных уровней

в полупроводнике

Примеси которые сообщают полупроводнику преимущественно 

дырочную проводимость называют акцепторными.

Полупроводник с дырочной электропроводностью создается пу
тем введения примесей трехвалентных атомов (бор, индий, алюминий, 
галлий), которые, соответственно, имеют три валентных электрона на 
внешней оболочке. Атомы примеси отнимают электроны у атомов полупроводника, образуя с ними ковалентные связи в кристаллической 
решетке (см. рис.1.6). Однако связь остается незаполненной. Недо

Рисунок 1.7 – p-n-переход

стающий электрон отбирается у соседнего атома кристаллической 
решетки. В результате на месте заимствованного электрона образуется дырка, а сам атом превращается в отрицательный ион. Полупроводник с повышенной концентрацией свободных дырок называют полупроводником p-типа (positive).

Избыток акцепторных атомов приводит к появлению промежу
точных уровней, не занятых электронами и близко расположенных к 
промежуточной зоне. При повышении температуры электроны из валентной зоны перескакивают на эти промежуточные уровни и в заполненной зоне образуется большое число дырок, что и обеспечивает 
электропроводность, несмотря на отсутствие электронов в зоне проводимости.

В полупроводнике p-типа основные носители – дырки, а неос
новные – электроны.

1.1.4 Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным или p-n-переходом называют область, 

возникающую на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности.

При контакте двух полупро
водников с различным типом электропроводности 
из-за 
градиента 

концентрации 
носителей 
заряда 

возникает их диффузия в области с 
противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, 
преобладающих в полупроводнике). 
Ширина металлургического перехода очень мала и составляет около 
0,1 мкм.

По обе стороны перехода по
сле диффузии создаются объемные 
разноименные заряды. В n-области – нескомпенсированный положительный заряд, создаваемый ионами донорной примеси. В p-области –
нескомпенсированный отрицательный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси. Между этими нескомпенсиронными областями 
возникает электрическое поле, напряженностью 𝐸⃗ 𝑘, направленное от 
n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим