Микросхемотехника

МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

А. К. ЧЕРЕПАНОВ

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНИК

Рекомендовано в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 11.03.01 «Радиотехника»,
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»,
11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»,
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК  621.3(075.8)
ББК 32.85я73
 
Ч46

Черепанов А. К.
Микросхемотехника : учебник / А. К. Черепанов. — Москва : 
ИНФРА-М, 2023. — 292 с. — (Высшее образование). — DOI  10.12737 /
textbook_599ff 21797d959.08246105.

ISBN 978-5-16-018847-8 (print)
ISBN 978-5-16-106109-1 (online)
В учебнике изложены физические основы полупроводниковых электронных приборов; рассмотрены основные типы радиокомпонентов, 
элементы и узлы аналоговых и цифровых микроэлектронных устройств 
и систем, интегральные схемы высоких степеней интеграции.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта  высшего образования последнего поколения.
Издание предназначено для бакалавров по направлениям подготовки 
«Электроника» и «Радиотехника», также может быть полезно инженернотехническим работникам, занимающимся проектированием и эксплуатацией электронной аппаратуры с использованием микроэлектронной и наноэлектронной элементных баз.

УДК 621.3(075.8)
ББК 32.85я73

Ч46

А в т о р:
Черепанов А. К., кандидат технических наук, доцент

Р е ц е н з е н т ы:
Берикашвили В. Ш., доктор технических наук, профессор кафедры 
электротехники и информационно-измерительных устройств Национального исследовательского технологического университета 
« МИСиС»;
Нефедов В. И., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой телекоммуникационных систем Московского технологического университета

ISBN 978-5-16-018847-8 (print)
ISBN 978-5-16-106109-1 (online)
©  Черепанов А. К., 2017

Предисловие

В настоящее время аналоговая и цифровая электроника переходят в стадию сложных схемотехнических решений, связанных с возросшей потребностью передачи информации на большие расстояния и в связи развитием вычислительной техники. Резко изменился 
характер электронных устройств: они стали малогабаритными, малоэнергоемкими и более надежными. С появлением микросхем 
появилась возможность миниатюризации электронных устройств. 
Сейчас существует целая отрасль электронной техники — микроэлектроника, разрабатывающая и производящая аналоговые, цифровые и специализированные микросхемы с числом элементарных 
полупроводниковых элементов от 103 до 106. Микроэлектронные 
устройства нашли широкое распространение в радиотехнике, системах связи, вычислительной и бытовой технике, благодаря чему 
электронные устройства стали легкими, малогабаритными, экономичными и широкодоступными.
Стремительно развивается импульсная цифровая техника. 
Например, посредством импульсных сигналов передают сведения 
о состоянии технических объектов (в телеметрии), управляют космическими кораблями при стыковке, создают высококачественные 
цифровые музыкальные передачи, радиовещание и телевидение. 
В нашей жизни мы сталкиваемся с импульсами и импульсными 
устройствами, не подозревая об их существовании. Спутниковая 
антенна принимает цифровые радиоимпульсы. Кнопочный пульт 
управления позволяет нам на расстоянии управлять телевизором. 
Мы посылаем импульсы телефонной станции, набирая номер телефона, которая расшифровывает их и соединяет нас с требуемым 
абонентом.
Наши бытовые приборы также насыщены электронной техникой. В современных автомобилях электроника использу ется в системах зажигания, контрольной и охранной сигнализации. В последних моделях автомобилей устанавливаются микропроцессоры 
для оптимизации работы двигателей.
Строительство новых жилых домов связано с одновременным 
монтажом силовых и информационных сетей. В промышленных 
зданиях используются различные контрольно-измерительные 
приборы, системы охранной сигнализации и системы управления 
энергией и теплом.

Целью настоящей книги является ознакомление будущих специалистов в области радиотехники и электроники, эксплуатации 
электрооборудования промышленных и гражданских зданий 
с основами электронной схемотехники, включая элементную базу, 
аппаратные средства информатики и энергетической электроники, 
элементы цифровой и микропроцессорной техники.
Материал учебника позволит лучше узнать возможно сти современной элементной базы электроники, схемотехники и микроэлектроники; поможет ориентироваться в сложной номенклатуре 
электронных изделий и научиться применять знания в соответствии с назначением аппаратуры. Изучение этой книги обеспечивает повышение компетенции студентов и специалистов, изучающих электронную технику. Она позволяет узнать состояние 
развития современных схемотехнических решений в области аналоговой и цифровой электроники, овладеть принципами построения 
основных узлов электроники, помогает выбрать базовые элементы 
и микросхемы для создания новых устройств и овладеть принципами их построения.
Материал книги представляет большую часть объема примерной основной образовательной программы в соответствии 
с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения по специальности 11.02.15 
«Инфокоммуникационные сети и системы связи». Более всего он 
соответствует учебной дисциплине «Электронная техника», которая является общепрофессиональной дисциплиной, устанавливающей базовые знания для освоения профессиональных модулей 
ПМ.01, технической эксплуатации инфокоммуникационных сетей 
связи (ПМ.02), технической эксплуатации инфокоммуникационных систем (ПМ.03), обеспечения информационной безопасности 
инфокоммуникационных сетей и систем связи (ПМ.05), адаптации конвергентных инфокоммуникационных технологий и систем 
к потребностям заказчика.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать
 
• принципы действия полупроводниковых приборов и электронных устройств;
 
• технические характеристики полупроводниковых приборов 
и электронных устройств;
 
• принципы действия различных видов коммуникационного оборудования и их особенности;
 
• аппаратные средства и элементную базу, необходимую для 
реализации различного коммуни кационного оборудования;

• основы технологии микроэлектроники и устройство базовых 
аналоговых и цифровых интегральных схем;
уметь
 
• измерять параметры и характеристики электронных приборов 
и устройств;
 
• рассчитывать параметры электронных схем по заданным 
условиям;
 
• составлять и диагностировать схемы электронных устройств;
 
• работать со справочной литературой;
владеть
 
• методами составления электронных схем и моделирования работы электронных устройств в основных программных средах;
 
• современными методами составления алгоритмов и программ 
математического моделирования;
 
• алгоритмами выбора оптимальных режимов работы электронных устройств.
Книга предназначена для студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся в различных областях автоматического управления, информационных технологий, высокотехнологичных производственных процессов и энергосберегающих технологий. Эти 
направления тесно связаны с развитием информационной и энергетической электроники, применением микропроцессорной вычислительной техники в системах автоматического управления, телекоммуникационных и информационных системах. Полезна книга 
и специалистам, связанным с разработкой мощных электрических 
устройств промышленности и транспорта, управляемых электроникой.

Раздел 1 
АНАЛОГОВАЯ МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

Введение

Сигналы большинства первичных источников являются непрерывными функциями времени. Такие функции называются аналоговыми. К ним относятся речевые, теле- и радиосигналы, а также 
сигналы, возникающие при измерениях различных параметров состояния биологических, технических и других физических объектов (электрокардиограммы, энцефалограммы, токи и напряжения, 
частота и интенсивность света и другие параметры). Аналоговый 
электрический сигнал преобразуется при прохождении через 
радио электронное устройство — усиливается, фильтруется (выделяется сигнал с определенной частотой). С помощью преобразователей частоты спектр сигналов переносится из одной частотной 
области в другую. В модуляторах высокочастотный сигнал модулируется (по амплитуде, частоте или фазе) другим низкочастотным 
сигналом. Детектор выполняет обратное преобразование, выделяя 
низкочастотный сигнал.
Перечисленные преобразования сигналов обладают одним общим свойством: непрерывный сигнал преобразуется в непрерывный (аналоговый в аналоговый). Обработку сигналов, в результате 
которой аналоговый сигнал остается аналоговым, называют аналоговой. Соответствующие функциональные узлы и устройства называют аналоговыми. Большинство современных аналоговых функциональных узлов изготавливают в виде аналоговых интегральных 
схем (ИС).
Важнейшие группы аналоговых ИС такие: усилители различного назначения, генераторы гармонических сигналов и сигналов 
специальной формы, детекторы, модуляторы, преобразователи. 
Изготавливают также многофункциональные аналоговые ИС для 
аппаратуры звукозаписи, радиоприемников, телевизоров и других 
устройств.
Внедрение цифровых ЭВМ с их большими возможностями 
привели к широкому применению цифровой обработки сигналов. Суть цифровой обработки сигналов заключается в том, что 

первичный аналоговый сигнал сначала преобразуется с помощью 
аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой код, т.е. 
в последовательность дискретных импульсов. Дальнейшее преобразование такого сигнала сводится к определенным действиям 
над массивом числовых данных. Однако часто результаты цифровой обработки представляются более наглядно в виде непрерывных функций, поэтому цифровой сигнал вновь превращается в аналоговый с помощью цифро-аналогового преобразователя 
(ЦАП).
Современные функциональные узлы аналоговой микросхемотехники составляются из отдельных полупроводниковых каскадов 
различной сложности. Простейший каскад ИС — это полупроводниковый транзистор с элементами, определяющими его режим работы. Такие каскады используются в усилителях и генераторах для 
усиления сигнала до определенных пределов, а также в модуляторах и преобразователях частоты.
В первом разделе учебника приведены основные сведения 
о свойствах простейших транзисторных каскадов; изучаются резисторный усилитель, усилитель постоянного тока и резонансный 
усилитель. Эти усилители называются усилителями слабых сигналов, так как они используются в первых каскадах усилительных 
устройств.
К импульсным и цифровым устройствам относятся активные 
и пассивные электрические цепи, предназначенные для генерирования, преобразования и хранения импульсных и цифровых 
сигналов. Радиоэлектронные системы, в состав которых входят 
импульсные и цифровые устройства, служат для получения, передачи и обработки информации. В зависимости от назначения конкретной радиоэлектронной системы информация представляется 
в виде звуковых сигналов, буквенного или цифрового текста, телевизионного изображения, а также последовательности электрических сигналов, кодирующих различные параметры окружающей 
его среды. Представляемая информация реализуется и передается 
в виде электрических импульсов (сигналов) определенной формы, 
зависящих от изменения напряжения или тока, в течение определенного промежутка времени, например:

U t
A
t
( )
cos(
),
=
⋅
−
ω
ϕ

где U(t) — напряжение; А — амплитуда колебания; ϕ — фаза колебания; ω — частота колебания; t — время.
Для того чтобы высокочастотный сигнал переносил информацию, необходимо в соответствии с формой передаваемого импульса 

промодулировать или амплитуду, или частоту, или фазу колебания. 
Электрический сигнал U(t), имеющий вид высокочастотного колебания, несущего информацию, называется радиосигналом. Сигнал, 
осуществляющий модуляцию амплитуды, частоты или фазы высокочастотного колебания по определенному закону, называется 
управляющим сигналом или видеосигналом.
Таким образом, информация определяется формой и частотой 
следования видеоимпульсов, которые мы дальше будем называть 
импульсами.

Глава1 
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА АНАЛОГОВОЙ 
МИКРОСХЕМОТЕХНИКИ

Современная микросхемотехника использует в основном полупроводниковую элементную базу: диоды, биполярные и полевые 
транзисторы, тиристоры и другие устройства. В связи с этим в данной главе будут рассмотрены основы полупроводниковой электроники.

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

1.1.1. Собственная проводимость полупроводников
Типичными полупроводниками являются элементы германий 
(Ge), кремний (Si), теллур (Te), а также соединения типа

GaAs, InAsGa, AlxPO1–xAsyGa1–y,

где x, y — величины, характеризующие процентное содержание составляющих веществ.
На внешней электронной оболочке атомов кремния и германия находятся четыре валентных электрона. Заполненной оболочке 
соответствуют восемь электронов, поэтому оставшиеся четыре вакантных места будут заполнены электронами соседних атомов, 
что приводит к химической (ковалентной) связи между атомами. 
Поскольку все электроны крепко связаны с атомами, в полупроводнике свободные электроны отсутствуют, что приводит к малой собственной проводимости полупроводников. Однако при поглощении 
электронами определенной энергии они покидают электронную 
оболочку и становятся свободными, образуя электроны проводимости. С энергетической точки зрения это выглядит как на рис. 1.1.

Зона проводимости

Валентная зона

W0

Рис. 1.1. Энергетические зоны полупроводника

Электропроводность химически чистого полупроводника называется собственной проводимостью. Электронная проводимость 
называется проводимостью n-типа (negative). Она возникает при 
переходе электронов из валентной энергетической зоны, целиком 
заполненной электронами, в зону проводимости. Минимальная 
энергия, которая должна быть затрачена для перевода электрона 
из валентной зоны в зону проводимости, равна W0 (энергетическая 
ширина запрещенной зоны); W0 называется также энергией активации собственной проводимости. При этом удельная электропроводность полупроводника равна

 
γ
γ
=
−
0
2
0
e W
kT
/
, 
(1.1)

где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.
Из этой формулы следует, что проводимость полупроводников возрастает при повышении температуры, а их сопротивление 
при этом падает, что и отличает полупроводники от металлов. 
Проводимость полупроводников может быть вызвана нагреванием, 
действием сильного электрического поля или света. Под воздействием этих факторов энергия валентных электронов может повышаться на величину, равную или большую энергии активации W0.
После перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости в валентной зоне образуются вакантные места. На эти 
места под действием электрического поля атома перемещаются 
электроны соседних атомов, на их место перемещаются электроны 
других атомов и т.д. Это явление эквивалентно движению положительных зарядов, «дырок», которым соответствует положительный 
заряд, численно равный заряду электрона. «Дырки» перемещаются 
в направлении напряженности электрического поля (к отрицательному электроду). Такая проводимость называется дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа (positive).
Общая удельная электропроводность полупроводников складывается из проводимостей n- и p-типов:

 
γ = eneue + enpup, 
(1.2)

где e — абсолютная величина заряда электрона; ne, nр — концентрации электронов и «дырок»; ue, uр — подвижности электронов 
и «дырок».

1.1.2. Примесная проводимость полупроводников
Внесение в химически чистый полупроводник атомов других элементов приводит к появлению примесной проводимости. 
Например, при замещении одного четырехвалентного атома герма