Электроника. Элементы электронных схем

 
 
 
 
 
А. Б. Власов 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОНИКА 
ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023
 

 
 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
В58 
 
Рецензенты: 
директор ООО «Севремавтоматика» Масюк Сергей Григорьевич; 
д. т. н., доцент, замдиректора АНОДО «Учебный центр охраны труда»  
Подобед Виталий Александрович 
 
 
Власов, А. Б. 
В58  
Электроника. Элементы электронных схем : учебное пособие / 
А. Б. Власов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 196 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1482-1 
 
Подробно изложены основные элементы и радиокомпоненты, используемые 
для создания схем и узлов электронных устройств. Уделяется внимание вопросам, 
которые недостаточно подробно изложены в литературе для понимания процессов, 
происходящих в полупроводниковых материалах и приборах на их основе. Представлены сведения о технологии изготовления полупроводниковых микросхем для 
современной электроники. 
Для учащихся технических специальностей вузов, колледжей, в учебных планах которых предусмотрено изучение разделов аналоговой и цифровой электроники, 
преобразовательной техники, основ схемотехники. Может быть полезно для школьников старших классов при проведении профориентационных занятий в центрах 
технического творчества типа «Кванториумов», «Сириуса» при подготовке к научнотехническим конференциям. 
 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1482-1 
© Власов А. Б., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
........................................................................................................ 5 
ГЛАВА 1. РАДИОКОМПОНЕНТЫ НА ОСНОВЕ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ........................................................ 6 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 6 
1.1. Элементы зонной теории металлов и полупроводников 
................................ 8 
1.1.1. Квантование электронов в изолированных атомах ..................................... 8 
1.1.2. Кристаллические решетки твердых тел ...................................................... 11 
1.1.3. Колебания кристаллической решетки. Фононы 
......................................... 12 
1.1.4. Образование носителей заряда в металлах ................................................. 13 
1.1.5. Образование носителей заряда в полупроводниках .................................. 14 
1.1.6. Закон действующих масс 
.............................................................................. 27 
1.1.7. Метод определения типа носителей в полупроводниках 
.......................... 29 
1.2. Проводимость металлов и полупроводников ................................................ 30 
1.2.1. Общие сведения об электрическом токе и подвижности носителей ....... 30 
1.2.2. Проводимость металлов 
................................................................................ 34 
1.2.3. Проводимость полупроводников 
................................................................. 36 
1.3. Полупроводниковые резисторы 
...................................................................... 39 
1.4. Эффект Ганна. Диод Ганна 
.............................................................................. 49 
1.5. Гальваномагнитные явления ........................................................................... 54 
1.6. Гальванотермомагнитные эффекты 
................................................................ 61 
1.7. Тензоэлектрические полупроводниковые резисторы 
................................... 62 
ГЛАВА 2. ДИОДЫ .................................................................................................. 65 
2.1. Образование и свойства р-n-перехода 
............................................................ 65 
2.1.1. Р-n-переход в отсутствие внешних напряжений 
........................................ 65 
2.1.2. Прямое смещение p-n-перехода 
................................................................... 71 
2.1.3. Обратное смещение p-n-перехода ............................................................... 74 
2.1.4. Вольтамперная характеристика идеального p-n-перехода........................ 76 
2.2. Полупроводниковые диоды 
............................................................................. 77 
2.2.1. Отличия в характеристиках идеальных и реальных диодов 
..................... 78 
2.2.2. Механизмы пробоя в реальных диодах 
....................................................... 80 
2.2.3. Выпрямительные диоды ............................................................................... 82 
2.2.4. Импульсные диоды ....................................................................................... 88 
2.2.5. Кремниевые стабилитроны .......................................................................... 90 
2.2.6. Варикапы ........................................................................................................ 94 
2.2.7. Туннельные диоды ........................................................................................ 95 
2.2.8. Фотодиоды и фотоэлементы ........................................................................ 96 
2.2.9. Светоизлучающие диоды 
............................................................................ 101 
2.2.10. Диоды с барьером Шоттки ....................................................................... 104 
2.2.11. Обращенные диоды ................................................................................... 106 
2.2.12. Общие сведения об обозначении дискретных диодов .......................... 106 
2.3. Элементы технологии твердотельных микросхем 
...................................... 107 
ГЛАВА 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ..................................................... 114 
3.1. Структура биполярного транзистора ........................................................... 114 
3.2. Принцип действия биполярного транзистора в различных режимах ....... 115 
3 

3.2.1. Схемы включения и режимы работы ........................................................ 115 
3.2.2. Принцип действия транзистора и его статические параметры 
............... 117 
3.3. Параметры и характеристики различных схем при постоянном 
напряжении ............................................................................................................ 123 
3.3.1. Характеристики и параметры транзистора в схеме с общей базой 
........ 125 
3.3.2. Характеристики и параметры транзистора в схеме  
с общим эмиттером ............................................................................................... 131 
3.3.3. Характеристики и параметры транзистора в схеме  
с общим коллектором 
............................................................................................ 136 
3.4. Транзистор как активный четырехполюсник и его h-параметры 
.............. 138 
3.4.1. Общие сведения об h-параметрах транзистора ........................................ 140 
3.4.2. Экспериментальные расчеты h-параметров ............................................. 142 
3.5. Однопереходный транзистор ........................................................................ 144 
3.6. Основные параметры реальных транзисторов ............................................ 146 
3.7. Общие сведения об обозначении дискретных транзисторов 
..................... 147 
3.8. Элементы технологии биполярных транзисторов твердотельных 
микросхем 
............................................................................................................... 148 
ГЛАВА 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ............................................................. 151 
4.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП) .................. 151 
4.1.1. Структура ПТУП ......................................................................................... 151 
4.1.2. Принцип работы ПТУП .............................................................................. 153 
4.1.3. Вольтамперные характеристики ПТУП .................................................... 157 
4.2. Полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ) .......................... 160 
4.3. Элементы технологии полевых транзисторов твердотельных  
микросхем 
............................................................................................................... 165 
4.4. Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ-IGBT) 
.......... 168 
4.4.1. Особенности мощного ПТИЗ ..................................................................... 169 
4.4.2. Строение IGBT ............................................................................................. 171 
4.5. Статический индукционный транзистор СИТ ............................................ 177 
ГЛАВА 5. ТИРИСТОРЫ....................................................................................... 180 
5.1. Принцип работы динистора .......................................................................... 180 
5.2. Принцип работы управляемого тиристора .................................................. 184 
5.3. Параметры и разновидности тиристоров 
..................................................... 186 
5.4. Применение тиристоров ................................................................................ 188 
5.5. Общие сведения об обозначении тиристоров ............................................. 191 
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 
.................................................................. 192 
 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Учебное пособие создано на основе разделов курсов лекций «Судовая 
электроника», «Физические основы электроники» для курсантов специальности 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» и студентов технических направлений по курсам «Электротехника и 
электроника» Мурманского Арктического университета.  
Предназначено для использования при самостоятельной подготовке курсантами и студентами, в том числе, при дистанционном обучении, получающими начальные сведения о приборах, устройствах, схемах аналоговой и цифровой электроники, применяемых на морских судах, инфраструктуры флота, 
объектах береговой энергетики. 
Содержание материала в учебном пособии связано с программами ФГОС 
вузов многих технических специальностей и направлений, которые характеризуются профессиональными компетенциями, в том числе, способностями:  
í в эксплуатационно-технологической деятельности и сервисной деятельности осуществлять безопасное техническое использование, техническое обслуживание судового электрооборудования и средств автоматики, объектов водного транспорта в соответствии с требованиями международных и национальных нормативно-технических документов; 
í выполнять диагностирование, техническое обслуживание и ремонт электроэнергетического электрооборудования и средств автоматики; 
í осуществлять выбор электрооборудования и элементов систем автоматики 
для замены в процессе эксплуатации устройств и приборов; 
í устанавливать причины отказов судового электрооборудования и средств 
автоматики, определять и осуществлять мероприятия по их предотвращению; 
í применять базовые знания фундаментальных и профессиональных дисциплин, проводить анализ работоспособности узлов, обосновывать принимаемые 
решения по использованию электрооборудования и средств автоматики, решать на 
их основе практические задачи профессиональной деятельности и другие. 
По тематике вопросов, включенных в настоящее пособие, в предыдущие годы 
написано множество учебников и пособий, тем не менее, многие материалы остаются недостаточно раскрытыми и сложными для понимания студентов, в особенности, с учетом сокращения контактных часов, выделяемых в рамках современных 
ФГОС и учебных планов, разрабатываемых вузами. 
Материалы охватывают сведения, необходимые для обучающихся при 
начальном ознакомлении с проблемами материалов и элементов на их основе, технологией изготовления диодов, транзисторов при начальном ознакомлении с электроникой.  
Приводится расширенный список литературы, с помощью которой учащиеся 
могут самостоятельно освоить специализированные вопросы, которые выходят за 
рамки данного материала или детализировать их. 
Пособие может быть полезно учащимся старших классов школ, колледжей при изучении электроники и работе над выбором научной тематики для 
внешкольного обучения в молодежных научно-технических центрах типа 
«Кванториумов», «Сириуса» и других. 
5 

ГЛАВА 1. РАДИОКОМПОНЕНТЫ НА ОСНОВЕ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Радиокомпонентами называются элементы аппаратуры, выполняющие, в 
соответствии со схемным назначением, функции увеличения сопротивления 
проходящему току, накопления заряда и электромагнитной энергии, генерации, задержки, преобразования электрических сигналов и другие.  
Работа элементов электронных схем основана на движении свободных 
носителей заряда в вакууме, газах, твердых кристаллических или аморфных 
телах. 
Пассивными называются компоненты, свойства и характеристики которых 
практически не изменяются в пределах диапазона температур эксплуатации. 
К активным относятся компоненты, у которых свойства зависят от внешних факторов, например, напряжения, температуры, облучения, магнитного 
поля и т. п. Зависимости тока от напряжения (вольтамперные характеристики, 
ВАХ) активных компонентов нелинейны. 
В настоящее время широкое распространение получили активные компоненты, созданные на основе полупроводниковых материалов [1, 3, 5, 7, 13, 16, 
18, 21, 32].  
Рассмотрим свойства отдельных полупроводниковых материалов, наиболее часто используемых в электронике и предпосылки для создания различных 
радиокомпонентов на их основе. 
Наиболее характерные полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности γ промежуточной 
между электропроводностями металлов (108 ... 106) Ом-1м-1 и диэлектриков 
(10-8 ... 10-16) Ом-1м-1. 
Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры за счет 
изменения концентрации свободных носителей заряда и их подвижности в 
объеме материала. Для полупроводниковых материалов характерна высокая 
чувствительность электропроводности к внешним воздействиям (световому и 
радиационному облучению, электрическим и магнитным полям), к содержанию примесей, дефектам структуры и т. п. 
В то же время различие между полупроводниками и диэлектриками, электропроводность которых также существенна при высоких температурах, скорее количественное, чем качественное. 
Термин полупроводники используется в узком смысле, т. е. как совокупность нескольких наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых проявляются уже при комнатных температурах (таблица 1.1).  
Полупроводники (таблица 1.1) представлены в виде «чистых» элементов 
(A, В) или в виде соединений, условно называемых AxBy. Цифрами отмечены 
значения важнейшего параметра полупроводниковых материалов - ширины 
запрещенной зоны ΔEз (эВ) (см. далее). 
6 

Т а б л и ц а  1.1 
Элементы, на основе которых создаются полупроводниковые материалы 
Элементы 
 
А 
Период 
II 
III 
IV 
V 
VI 
VII 
VIII 
C 
II 
Be 
B 
1,1
5,2
N 
O 
 
 
P 
S 
III 
Мg 
Al 
Si 
1,1
1,6
2,5
Cl 
 
As 
Se 
В 
IY 
Zn 
Ca 
Ge 
0,7
1,2
1,7
Br 
 
Sb 
Te 
I 
Y 
Cd 
In 
Sn 
0,06
0,12
0,36
1,25 
Xe 
YI 
 
Te 
Pb 
Bi 
Po 
At 
 
1. Алмазоподобные полупроводники 
а)Cоединения типа AIIIBV - cоединения элементов III группы (Al, Ga, In) 
с элементами V группы (P, As, Sb), например, GaAs, InSb, GaP, InP и т. п. 
Атомы III группы имеют по три валентных электрона, а атомы V группы - 
по пять, таким образом, в соединении типа AIIIBV среднее число валентных 
электронов, приходящихся на один атом - четыре. В результате соединения 
элементов III и V групп образуется кристаллическая решетка типа алмаза, аналогично, например, германию, с той разницей, что ближайшими соседями 
атома АIII являются атомы ВV, и наоборот. За счет частичного перераспределения электронов, атомы А и В в такой структуре оказываются разноименно заряженными. Поэтому связи в кристаллах АIIIВV частично ковалентные, частично - ионные. Однако ковалентная связь в них преобладает и определяет их 
структуру, в результате чего данные кристаллы по многим свойствам являются 
аналогами Ge и Si. 
б)Соединения типа АIIВVI - соединения элементов II и VI групп. К ним 
относятся соединения типа ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и другие. В этих соединениях на один атом также в среднем приходится по четыре валентных электрона, 
но ионная связь в них более выражена. 
2. Элементы VI, V групп и их аналоги. 
Элементы VI группы Те и Se, как полупроводниковые материалы, были 
известны ранее, чем Ge и Si, причем Se ранее широко использовался в выпрямителях переменного электрического тока и фотоэлементах. 
Элементы V группы As, Sb, Bi - полуметаллы, по свойствам близкие к полупроводникам. Их ближайшие аналоги - соединения типа АIVВVI (PbS, PbSe, 
SnTe, GeTe и т. п.), имеющие в среднем по пять электронов на атом, - образуют одну из важнейших групп полупроводников, известную как приемники 
инфракрасного излучения. 
Многие соединения элементов VI группы (O, S, Se, Te) c элементами I-IV 
групп являются полупроводниковыми структурами. Большинство из них мало 
изучено. Наиболее изучены и практически используются Сu2O (купоросные 
выпрямители), Вi2Te3 (термоэлементы). 
 
7 

3. Соединения элементов VI группы с переходными металлами (Ti, V, 
Mn, Fe, Ni, Sm, Eu и другие). В этих полупроводниках преобладает ионная 
связь. Большинство из них обладает различной степенью магнитного упорядочения (магнитные полупроводники). 
4. Органические полупроводники. К ним относятся органические красители, ароматические соединения, полимеры с сопряженными связями и т. п. 
Органические полупроводники существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и пленок. Удельное электрическое сопротивление органических полупроводников изменяется в очень широких 
пределах: от 1016 Омāм (нафталин, антрацен) до 10-4 Омāм (ион-радикальные 
соли). Органические полупроводники находят применение в качестве светочувствительных материалов в микроэлектронике; c ними связываются перспективные разработки для создания сверхпроводников, работающих при относительно высоких температурах эксплуатации. 
Независимо от особенностей химических связей и строения различных 
полупроводников, металлов и диэлектриков, их многочисленные свойства 
описываются в рамках теории твердого тела, отдельные элементы которой 
будут изложены в данном пособии. 
 
1.1. Элементы зонной теории металлов и полупроводников 
 
Известно, что атомы состоят из ядра (нейтроны и протоны) и оболочки, 
состоящей из электронов, связанных с атомным ядром. В связи с этим данные 
электроны, называемые связанными, не могут участвовать в процессе электропроводности, т. е. переносить заряд, например, под действием электрического 
поля.  
Атомы объединяются в кристаллические решетки. Электрический ток в 
кристалле может протекать только в том случае, когда в материале имеются 
свободные носители заряда (как положительного, так и отрицательного знака), 
оторванные от конкретных атомов. 
Для оценки параметров электропроводности материалов необходимо провести анализ возможности накопления в материале свободных носителей заряда и их перемещения под действием электрического поля. 
Рассмотрим вопросы образования свободных носителей заряда в металлах 
и полупроводниках с учетом строения кристаллической решетки твердых тел 
[5, 7, 18]. 
 
1.1.1. Квантование электронов в изолированных атомах 
 
Согласно квантовой модели атомов состояние электрона в изолированных атомах характеризуется четырьмя квантовыми числами. 
Главное квантовое число n (n = 1, 2, 3) определяет порядковый номер разрешенной оболочки и энергию оболочки (энергетический уровень электрона, 
который может находиться на данной оболочке). 
8 

Орбитальное квантовое число l (l = 0, 1, ..., (n - 1)) определяет форму 
оболочки, момент количества движения (момент импульса, механический момент, спин) оболочки и его проекцию на некоторое направление, например, на 
направление внешнего магнитного поля, в зависимости от значения n. 
Магнитное квантовое число m (m = 0, “1, “2, ... “l) определяет величину 
магнитного момента оболочки и ее проекцию на некоторое направление 
внешнего поля. 
Спиновое квантовое число s (s = “1/2) выражает собственный момент количества движения электрона (спин). 
В зависимости от порядкового номера элемента в периодической таблице 
и величины заряда ядра атомы имеют разное количество электронов на оболочках. 
Совокупность электронов, обладающих одним и тем же значением квантового числа n, образует слой: K-слой - n = 1; L-слой - n = 2; M-слой - n = 3 и 
т. д. 
Электроны в одном слое имеют одно и то же значение энергии E(n), определяемое величиной n. Расчеты показывают, что энергия слоя может быть рассчитана по формуле: 
 
2 4
 
Z e m
E n
h
n
=
ε
, 
(1.1) 
2 2
2
0
( )
8
 
где Z - заряд ядра; 
е - заряд электрона; 
m - масса электрона; 
h - постоянная Планка; 
ε0 - электрическая постоянная. 
В каждом из слоев (K, L, M) электроны могут быть в различных состояниях, т. е. могут образовывать различные электронные оболочки, характеризуемые орбитальными квантовыми числами: l = 0 - s-оболочка, l = 1 - p-оболочка, 
l = 2 - d-оболочка, l = 3 - f-оболочка и т. д. 
Количество электронов, которые находятся в том или ином слое (n = сonst), 
но имеют различные значения l и m, может быть рассчитано с учетом возможных 
изменений l и m: 
 
 
1
2
l
N l m
l
n
−
=
=
+
=
¦
. 
(1.2) 
0
( ,
)
(2
1)
n
 
Из соотношения (1.2) следует, что в произвольном слое со значением n 
имеется n2 состояний с различными значениями энергии электронов.  
Учитывая принцип Паули, согласно которому в состоянии с одними и теми же значениями n, l, m в атоме может быть не более двух электронов  
(s = 1/2 и s = -1/2), можно полагать, что число электронов в слое с одним значением n может быть не более: 
 
 
2
( ,
)
2
e
N
N l m
n
=
=
. 
(1.3) 
 
9 

Например, в слое К значение числа электронов Nе = 2; в слое L – Nе = 8; в 
слое M - Nе = 18 электронов. 
Рассмотрим реальные атомы группы IY. Энергетические уровни изолированных атомов описываются следующим образом, например, С (1s22s22p2),  
Si (1s22s22p63s23p2). Графическое изображение изолированных энергетических 
уровней атомов C и Si представлено на рис. 1.1, а, б. На оси ординат откладывается значение энергии E электронов (обычно в эВ), ось абсцисс - безразмерная. 
 
 
 
а) 
б) 
в) 
 
Рис. 1.1 Энергетические уровни в изолированных атомах 
 
Особенностью атомов IV группы является наличие четырех электронов на 
внешнем слое (в частности, на оболочках s и p). 
Рассмотрим другое схематическое изображение энергетических уровней в 
изолированном атоме, например, Na (рис. 1.1, в). Данное представление основано на учете потенциальной энергии взаимодействия W(r) электронов с ядром 
за счет кулоновского поля: 
 
2
 
0
( )
4
e
W r
r
= −πεε
, 
(1.4) 
 
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость; 
r - расстояние от электрона до ядра. 
Например, для германия и кремния значения ε равны 16 и 12, соответственно. 
Из соотношения (1.4) видно, что связанный с ядром электрон находится в 
потенциальной яме, причем по мере удаления электрона от ядра, его энергия 
возрастает, оставаясь отрицательной. При удалении электрона на «бесконечное» расстояние, энергия взаимодействия ядра и электрона стремится к нулю. 
На рис. 1.1, в дополнительно изображены энергетические уровни различных оболочек, например, атома Na11 (Z = 11 : 1s22s22p63s1), а также распределение электронной  плотности ρe(r) электрона вблизи ядра, которая характеризует вероятность обнаружения валентного электрона на 3s-оболочке. 
 
 
10