Электрорадиоэлементы и устройства функциональной электроники

А. С. Шандриков

ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ 

И УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ 

ЭЛЕКТРОНИКИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений
образования, реализующих образовательные программы 
среднего специального образования по специальностям

«Проектирование и производство радиоэлектронных средств»,

«Техническая эксплуатация радиоэлектронных средств»,

«Электронные вычислительные средства»,

«Техническое обслуживание и ремонт вычислительной техники»

Минск
РИПО

2020

УДК 621.3(075.32)
ББК 32.844я723

Ш20

А в т о р : 

преподаватель Витебского государственного политехнического 

колледжа учреждения образования «Витебский государственный 

технологический университет» А. С. Шандриков.

Р е ц е н з е н т ы:

филиал кафедры радио- и информационных 

технологий Витебского филиала УО «Белорусская 
государственная академия связи» (Т. С. Рубаник); 

доцент кафедры электроники УО «Белорусский государственный 

университет информатики и радиоэлектроники» 

кандидат технических наук, доцент В. Н. Путилин.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой 

ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства обра
зования Республики Беларусь.

Ш20

Шандриков, А. С.

Электрорадиоэлементы и устройства функциональной элек
троники : учеб. пособие / А. С. Шандриков. – Минск : РИПО, 
2020. – …323 с., [12] л. ил. : ил.

ISBN 978-985-7234-18-9.

В учебном пособии рассматривается элементная база современных 

радиоэлектронных средств: классификация, конструкции, параметры и 
принцип работы резисторов, конденсаторов, трансформаторов, катушек 
индуктивности, диодов, стабилитронов, тиристоров, соединителей и коммутационных устройств, в том числе электромеханических, а также элементов оптоэлектроники, индикации и отображения информации, запоминающих устройств, фильтров и линий задержки.

Предназначается для учащихся учреждений среднего специального 

образования по специальностям «Проектирование и производство радиоэлектронных средств», «Техническая эксплуатация радиоэлектронных 
средств», «Электронные вычислительные средства», «Техническое обслуживание и ремонт вычислительной техники». 

УДК 621.3(075.32)

ББК 32.844я723

ISBN 978-985-7234-18-9 
© Шандриков А.  С., 2020
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2020

ВВЕДЕНИЕ

Элементная база радиоэлектронных средств и ее классифика
ция. Любое сложное радиоэлектронное средство (РЭС) состоит 
из радиоэлектронных компонентов (РЭК), участвующих в распределении электрической энергии и преобразовании сигналов 
в электрических цепях. Все РЭК разделяют на пассивные и активные:

• пассивные РЭК выполняют перераспределение электриче
ской энергии в цепях. Их работа основана на таких физических 
процессах, как электрический контакт, взаимодействие электрического тока и магнитного поля, напряжения и электрического 
заряда и др. К пассивным РЭК относят резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, коммутационные 
компоненты и т. д.; 

• активные РЭК осуществляют преобразование электриче
ской энергии. Принцип их действия основан на сложных физических процессах. 

Среди активных РЭК различают дискретные приборы, ин
тегральные микросхемы (ИМС) и устройства функциональной 
электроники (УФЭ).

К дискретным РЭК относят электровакуумные (электронные 

лампы) и полупроводниковые приборы (диоды, стабилитроны, 
транзисторы, тиристоры и др.). 

ИМС наиболее широко применяют для преобразования и 

обработки сигналов. Они имеют высокую плотность упаковки 
электрически соединенных элементов. В одной ИМС могут содержаться сотни и тысячи элементов, схемотехнически и конструктивно объединенных в одном кристалле. 

По 
конст ру к тивно-тех нологи ческ им 
признакам 

различают полупроводниковые и гибридные ИМС. В полупровод

никовых ИМС все элементы и межэлементные соединения выполняют в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины. 
В гибридных ИМС используют навесные транзисторы и конденсаторы большой емкости и некоторые другие РЭК, а резисторы, 
конденсаторы малой емкости, соединения и в редких случаях 
катушки индуктивности формируют нанесением пленок на поверхность подложки.

По фу нк циона льном у назначению различают анало
говые и цифровые ИМС. Сигналы, изменяющиеся по закону непрерывной функции, обрабатываются аналоговыми, а дискретные 
сигналы – цифровыми ИМС.

В УФЭ различные схемотехнические функции интегрирова
ны в объеме одного твердого тела. Работа УФЭ основана на использовании новых физических принципов и эффектов, характерной особенностью которых является наличие и использование 
для обработки и хранения информации динамических неоднородностей в однородном объеме твердого тела. Динамические 
неоднородности создают физическими методами. Их появление, 
перемещение и исчезновение в объеме твердого тела не связано с 
процессом изготовления устройства. Особенностями динамических неоднородностей является их создание физическими средствами в ходе эксплуатации прибора, а не технологическими способами в процессе производства: они могут возникать и исчезать, 
а также изменять свои характеристики во времени, могут существовать длительное время в зависимости от функциональных 
задач устройства, не связаны жестко с координатами, являются 
непосредственными носителями информации, которая может 
быть представлена как в цифровой, так и в аналоговой форме.

Эволюция элементной базы РЭС. В истории развития эле
ментной базы РЭС выделяют четыре этапа.

Первый этап (1915–1955 гг.) – создание РЭС на основе элек
тровакуумных приборов и дискретных РЭК. В 1904 г. была изготовлена простейшая двухэлектродная электронная лампа (диод), 
которая широко применялась в радиотехнике для детектирования 
электрических колебаний, а в 1907 г. – трехэлектродная лампа 
(триод), применявшаяся для усиления электрических сигналов. 

В 1924 г. были изобретены четырехэлектродные лампы (те
троды), в 1930 г. – пятиэлектродные (пентоды), а в 1935 г. – многосеточные частотно-преобразовательные лампы (гептоды).

Введение

В 1930-х – начале 1940-х гг. наряду с усовершенствовани
ем обычных ламп были разработаны лампы для дециметровых и 
сантиметровых волн – магнетроны, клистроны, лампы бегущей 
волны. Параллельно с разработкой электронных создавались 
электронно-лучевые, фотоэлектрические, ионные приборы. 

Второй этап (1955–1965 гг.) – использование дискретных 

транзисторов и миниатюрных РЭК. Развитию полупроводниковой электроники предшествовали работы в области физики твердого тела. 

В 1947 г. в лабораториях телефонной компании «Bell» поя
вился первый транзистор – полупроводниковый усилительный 
элемент. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век». 

Первые промышленные образцы полупроводниковых прибо
ров были предложены в 1948 г. 

В 1950-е гг. открытия в области физики твердого тела и пере
ход к квантовой электронике привели к развитию лазерной техники. 

Третий этап (1965–1980 гг.) – применение ИМС и микро
миниатюрных дискретных РЭК. Уровень интеграции ИМС достигал тысяч элементов в одном кристалле. Освоение выпуска 
больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) позволило перейти к созданию функционально законченных цифровых устройств – микропроцессоров, рассчитанных на совместную работу с устройствами памяти и обеспечивающих обработку 
информации и управление по заданной программе. Достижения 
полупроводниковой электроники предопределили появление 
микроэлектроники.  

Четвертый этап (с 1980 г. по настоящее время) – комплекс
ное использование РЭК, БИС, СБИС, УФЭ и микропроцессорных комплектов. Развитие электроники идет по пути микроминиатюризации электронных устройств, повышения надежности, 
экономичности электронных приборов и ИМС, улучшения их 
качественных показателей, уменьшения разброса параметров, 
расширения частотного и температурного диапазонов. Микроэлектроника переходит на качественно новый уровень – наноэлектронику, которая базируется на результатах фундаментальных исследований атомных процессов в полупроводниковых 
структурах пониженной размерности.

Введение

Введение

В настоящее время появилась информация о разработках 

на основе графена. Этот материал был открыт в Манчестерском университете физиками А.К. Геймом и К.С. Новоселовым. 
В 2004 г. в журнале «Science» они впервые написали о графене, а в 
2010 г. получили за свое открытие Нобелевскую премию. Графен 
представляет собой двумерный кристалл из углерода. Из графена 
можно получить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом, что позволяет несколькими граммами этого вещества покрыть территорию, 
равную футбольному полю. Графен – самый тонкий и прочный 
материал во всей Вселенной. Рассматривается возможность применения графена абсолютно во всех сферах человеческой деятельности. Использование графена предполагается для производства суперконденсаторов, высокочастотных высокомощных 
электронных устройств, улучшения свойства проводимости различных материалов, создания дисплея на органических светодиодах, улучшения жидкокристаллических дисплеев и др. Применение графена в производстве РЭК положит начало следующему 
этапу научно-технического развития элементной базы РЭС.

Требования к элементной базе РЭС. Эффективное функцио
нирование РЭС зависит от качества элементной базы. Исходная 
электрическая принципиальная схема содержит информацию о 
типах используемых РЭК, но не привязана к конкретным условиям эксплуатации и требованиям технического задания. Поэтому выбор элементной базы должен осуществляться в соответствии с предъявляемыми к ней общими требованиями:

• обеспечение требуемых электрических параметров с необ
ходимым коэффициентом запаса;

• устойчивость против механических воздействий;
• работоспособность в диапазоне температур и других кли
матических факторов заданного климатического исполнения;

• конструктивная и технологическая совместимость всех ти
пов РЭК, используемых в конструкции РЭС;

• относительные массогабаритные параметры и стоимость РЭК;
• надежность. 
Надежность – это комплексное свойство, которое в зависимости 

от назначения РЭС и условий его эксплуатации может включать: 

• отказ, т. е. утрату работоспособности, наступающей вне
запно либо постепенно;

• работоспособность – состояние изделия, при котором оно 

соответствует требованиям, предъявляемым к его основным параметрам;

• безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять 

работоспособность в течение данного времени;

• долговечность – свойство изделия длительно (с возможны
ми в процессе эксплуатации перерывами) сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации до 
полного выхода из строя;

• ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в 

его приспособленности к ремонту и техническому обслуживанию;

• исправность – состояние объекта, при котором он соответ
ствует всем требованиям технического задания;

• сохраняемость – свойство изделия непрерывно сохранять 

исправное и работоспособное состояние в процессе эксплуатации, а также хранения и после транспортировки. 

В частных требованиях приводятся числовые значения тех
нических характеристик РЭК, которые при выборе элементной 
базы должны сопоставляться с условиями эксплуатации РЭС. 
Частными являются требования к конструкции, электрическим 
параметрам, методам измерений электрических параметров, режимам эксплуатации, стойкости к внешним воздействующим 
факторам, маркировке, упаковке и др. 

Частные требования к элементной базе устанавливаются тех
ническими нормативными правовыми актами на конкретные 
типы РЭК.

Введение

ГЛАВА 1. РЕЗИСТОРЫ

1.1. Классификация 

и основные параметры резисторов

1.1.1. Физическая природа электрического сопротивления 
Электрическое сопротивление – физическая величина, ха
рактеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока. 

В однородных металлических проводниках внутренние ча
стицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, 
расположены в определенном геометриче ском порядке, образуя 
пространственную кристаллическую решетку из большого количества одинаковых многогранников. Каждый такой многогранник 
называют элементарной ячейкой кристалла (рис. 1.1). 

а
б
в

Рис. 1.1. Виды кристаллических решеток металлов: а – кубическая 

объемно-центрированная; б – кубическая гранецентрированная; 

в – гексагональная плотноупакованная

В металлах наряду с электронами, связанными с ядром, 

существует большое количество подвижных свободных электронов, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Если проводник 

1.1. Классификация и основные параметры резисторов 

подключить к источнику электрической энергии, то возникнет 
электрическое поле, которое вызывает упорядоченное движение 
свободных электронов – электрический ток. В случае идеальной 
кристаллической решетки свободные электроны не испытывали бы никакого сопротивления своему движению, плавно обтекая положительно заряженные ионы подобно движению волны. 
Однако кристаллическая решетка никогда не бывает идеально 
периодической. Причинами нарушения строгой периодичности 
решетки являются примеси химических элементов, вакансии – 
отсутствие атомов в узле, постоянное колебательное движение 
положительно заряженных ионов относительно своего положения равновесия. 

По этим причинам свободные электроны в процессе дви
жения сталкиваются с ионами проводника и, как следствие, 
между собой. В результате свободные электроны многократно 
изменяют направление и скорость своего движения, положительно заряженные ионы увеличивают амплитуду и частоту колебаний, что приводит к еще большему увеличению количества 
столкновений.

В этом и заключается свойство проводника оказывать электри
ческое сопротивление прохождению через него электрического тока. 

Электрическое сопротивление обозначают буквой r или R

(единица измерения в Международной системе единиц (СИ) – Ом). 
Значение электрического сопротивления зависит:

• от свойства проводника – атомного строения (см. рис. 1.1) 

и количества электронов, которые могут отрываться от своих атомов и становиться свободными. Свойство проводника, влияющее 
на величину электрического сопротивления, называют удельным 
сопротивлением и обозначают буквой ρ (единица измерения в системе СИ – Ом . м).

Различные материалы имеют разное значение удельного со
противления, которое зависит от:

• частоты и амплитуды тепловых колебаний узлов кристал
лической решетки;

• количества свободных электронов;
• примесей и дефектов атомного строения; 
• длины проводника (чем длиннее проводник, тем большее 

сопротивление он оказывает движению свободных электронов);

• площади поперечного сечения проводника (чем больше 

площадь, тем больше электронов могут одновременно пройти че

Глава 1. Резисторы

рез поперечное сечение проводника и, соответственно, тем меньше будет сопротивление); 

• примесей и дефектов атомного строения;
• длины проводника (чем длиннее проводник, тем большее 

сопротивление он оказывает движению свободных электронов);

• площади поперечного сечения проводника (чем больше 

площадь, тем больше электронов могут одновременно пройти через поперечное сечение проводника и, соответственно, тем меньше будет сопротивление). 

Зная материал проводника, его длину l и площадь попереч
ного сечения S, можно определить величину его электрического 
сопротивления по формуле







 








2
nм м
м
nм .
м

l
R
S
(1.1)

Величину, обратную удельному сопротивлению, называют 

удельной проводимостью: γ = 1 / ρ (единица измерения – См/м).

В электротехнических изделиях и в электронике широко при
меняют сплавы и композиционные материалы (композиты).

Сплавы – это механические или химические смеси двух и 

более металлов. В сплавах кристаллическая решетка имеет неправильную форму из-за внедрения ионов одного металла в 
кристаллическую решетку другого, что увеличивает удельное 
сопротивление сплава по сравнению с чистыми металлами. Значительное возрастание удельного сопротивления наблюдается 
при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, т. е. создают при отвердевании совместную 
кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. Например, сплав, содержащий 60 % меди 
и 40 % никеля, имеет удельное сопротивление в 30 раз выше, чем 
у меди, и примерно в 7 раз выше, чем у никеля.

Композиты – это многокомпонентные материалы, представ
ляющие собой сочетание разнородных веществ. Применение 
разнородных веществ в различных сочетаниях приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и 
качественно отличаются от свойств каждого из составляющих 
его компонентов. Варьируя состав и соотношение компонентов, 
можно получить широкий спектр материалов с требуемым набором свойств, в том числе и электрического сопротивления.