Элементная база радиоэлектронной техники. Полупроводниковые компоненты

МИНИCTEPCTBO НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 

 
 
 
 
 
 
 

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА  

РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ. 
Полупроводниковые компоненты 

 
 

УЧЕБНИК 

 

Под редакцией П. А. Пашинцева 

 
 
 

Направление подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные  

технологии и системы связи 

 

Направленность (профиль) «Инфокоммуникационные 

 системы и сети» 

 

Квалификация выпускника – бакалавр 

 

 
 
 
 

Ставрополь 

2022 

УДК 004.382.7(075.8)
ББК 32.973.26 я73

Э 45

Печатается по решению

редакционно-издательского совета 
Северо-Кавказского федерального

университета

 

Рецензенты: 

засл. деятель науки РФ, д-р техн. наук, профессор В. А. Цимбал 

(филиал Военной академии РВСН имени Петра Великого) 

д-р техн. наук, профессор И. А. Калмыков 

(Северо-Кавказский федеральный университет) 

 

  

  

Э 45 
Элементная база радиоэлектронной техники. Поупроводниковые компоненты: учебник / П.А. Пашинцев, В.П. Пашинцев, 
Г.И. Линец, В.И. Никулин; под ред. П.А. Пашинцева. – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2022. – 456 с. 

 

Учебник составлен в соответствии с требованиями образовательных 

стандартов высшего профессионального образования по направлению 
подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». В нём изложены физические основы работы полупроводниковых приборов и краткое описание их устройств, основные характеристики и параметры, схемы включения. Рассмотрены общие принципы построения и 
реализации активных и пассивных компонентов интегральных микросхем, 
а также общие сведения о собственных шумах, радиационной стойкости и 
надежности электронных приборов.  

Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлениям подготов
ки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Информатика и 
вычислительная техника», «Электроника и наноэлектроника», а также может 
быть полезен для магистров, аспирантов и широкого круга специалистов в 
области систем связи, информатики и вычислительной техники.  
 

УДК 004.382.7(075.8) 
ББК  32.973.26 я73 

  

 
 

© ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский 

 федеральный университет», 2022 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 

Предлагаемый учебник предназначен для студентов высших 

учебных заведений, специализирующихся на подготовке бакалавров 
эксплутационной напрвленности систем связи и телекоммуникаций. 
Он написан на основе лекций, читавшихся авторами на протяжении 
многих лет и издававшихся в виде отдельных учебных пособий. Актуальность его издания в настоящее время определяется возрастающей ролью дистанционного обучения и самостоятельной работы 
студентов, требующих доступного учебного материала для студентов всех уровней подготовленности.  

При работе над учебником авторы исходили из того, что бака
лавр должен знать принципы построения электронной аппаратуры и 
уметь выполнять основные операции по её обслуживанию и применению по назначению.  

Успешное решение этих задач невозможно без знания элемент
ной базы, как материальной основы радиоэлектронной аппаратуры. 
Знание современной элементной базы является фундаментальной 
основой для освоения современных радиоэлектронных систем. Недостаточно глубокое знание этой базы, и в первую очередь полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, не может 
быть восполнено в последующих профилирующих дисциплинах. 

Исходя из такого взгляда на роль элементной базы, авторы 

стремились дать более глубокое описание физических основ при 
изучении устройств и принципов работы основных типов радиокомпонент. Неизбежные при таком подходе ограничения математического описания физических процессов в значительной мере компенсируются выводом наиболее важных соотношений в приложениях. Такая методика, по мнению авторов, позволит более полноценно использовать учебник как сильными, так и слабыми категориями обучаемых. 

Подробное описание физических процессов и явлений в эле
ментной базе направлено на развитие у обучаемых логического 
мышления и умения самостоятельно решать задачи моделирования, 
анализа и синтеза ситуаций, возникающих в процессе эксплуатации 
и применения радиоэлектронных систем. 

Изложение материала учебника ориентировано на знание обу
чаемыми общеобразовательных и общеинженерных дисциплин, 
предусмотренных учебным планом. 

Перед изучением материала учебника рекомендуется ознако
миться с принятыми обозначениями и сокращениями.  

Авторы искренне благодарны рецензентам В.А. Цимбалу и 

И.А. Калмыкову, а также студентам Р. Скакунову и А. Нещадимову 
за большую работу по подготовке рукописи к изданию. 

 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 
 
Создание мощного экономического потенциала нашей страны 

определяется не только огромными природными ресурсами и талантом великого Российского народа, но и мощной научнотехнической базой. Одной из важнейших составляющих этот базы 
является электроника – материальная основа научного прогресса во 
всех областях жизнедеятельности страны.  

Возникновению и развитию электроники, как науки, предшество
вал общий прогресс науки и техники, связанный с деятельностью целой 
плеяды таких выдающихся мировых ученых, как У. Гильберт,  
М.В. Ломоносов, М. Фарадей, Дж. Максвелл, Г. Герц, А.Г. Столетов, Н. Тесла, А.С. Попов, и многих, многих других. 

Огромным стимулом в развитии электроники, явилось создание 

в 1895 г. А.С. Поповым простейшей системы радиосвязи. Одновременно с А.С. Поповым в изобретение, а особенно в практическое 
использование радио, внес весомый вклад итальянец Гульельмо 
Маркони, удостоенный в 1910 году Нобелевской премии, хотя в 
1943 г. по решению американского суда изобретателем радио признан Никола Тесла. 

Основными историческими событиями в развитии электроники 

и в первую очередь, твердотельной электроники являются: изобретение кристадина (О.В. Лосев, 1922), биполярного транзистора 
(Д.Бардин, У.Бреттейн, У. Шокли, 1948), перехода металлполупроводник (Шотки, 1939), полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (В.Шокли, 1952), тиристора (Н.Голоньяк, 1952), 
полевого транзистора с изолированным затвором (Д. Кинг, 
М.Аттала, 1960), полевого транзистора с барьером Шотки (С.Мид., 
1966), квантового генератора (Н. Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Дж. Гордон, Ч.Таунс, Х.Цайгер, 1955), гетеринжекционного полупроводникового лазера (Ж.Алферов, 1970) и др. 

Разработка планарной технологии полупроводниковых струк
тур (1950... 1960 гг.) и методов интеграции большого числа активных и пассивных элементов на одном полупроводниковом кристалле привела к созданию нового направления электроники – микроэлектроники, базовым элементом которой является интегральная 
микросхема. Основными достоинствами микроэлектронных средств 

являются высокая надежность и низкие весовые и габаритные показатели, электропотребление и стоимость. 

Особое место среди современных средств микроэлектроники 

занимают микро-ЭВМ и микропроцессоры, представляющие собой 
целые сложные электронные системы, сформированные на одном 
полупроводниковом кристалле. Отдельным направлением электроники является квантовая электроника, охватывающая совокупность молекулярных генераторов, квантовых усилителей, оптических квантовых генераторов (лазеров) и т.п. 

На стыке электроники и оптики сформировалась оптоэлектро
ника, а на стыке электроники и акустики – акустоэлектроника. 

Внедрение средств электроники в жизнь и деятельность чело
века обеспечивает постоянное совершенствование автоматизации 
производственных процессов, повышение производительности труда, улучшает экономические, качественные и надежностные показатели производства. При этом все перечисленные показатели в значительной степени зависят от используемых электронных приборов 
и устройств. 

  
 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ  
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 

 
 

1.1. Краткая характеристика полупроводников 

 

Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых 
занимает промежуточное значение между сопротивлением металлов и диэлектриков; (рис. 1.1). Основными свойствами их являются 
проводимость двух типов (электронная и дырочная) и сильная зависимость проводимости от малейших добавок примесей и от различных энергетических воздействий (нагрева, светового и радиационного облучения, электрических и магнитных полей и т.п). 

Рис. 1.1. Классификация веществ по удельной проводимости  

электрического тока 

 
Полупроводники представляют собой наиболее многочислен
ный класс веществ в природе. К ним относятся: 

а) химические элементы – германий Ge, кремний Si, фосфор Р, 

углерод С, мышьяк As ,бор В, галлий Gа, сурьма Sb и др.; 

б) химические соединения – арсенид галлия GaAs, фосфид ин
дия InP, антимонид индия InSb и др. 

Большинство современных полупроводников имеет кристалли
ческую структуру. Связь атомов в кристаллической решетке таких, 
наиболее распространенных полупроводников как кремний и германий, ковалентная. Такая связь характеризуется большой прочностью, а её суть заключается в том, что каждый атом имеет с соседним два общих валентных электрона: один “свой” и один соседнего 
атома – рис. 1.2,а. На рис. 1.2,б показан атом в структуре кристаллической решетки, а на рис. 1.2,в – условное обозначение атома и 
его ковалентных связей с другими атомами решетки. На этих рисунках цифрами 1,2,3 и 4 обозначены электроны «центрального», а 
цифрами 1, 2, 3 и 4 – «соседних» атомов.  

 

Металлы
Полупроводники
Диэлектрики

4
10
10
10
,Ом см



Рис. 1.2. Ковалентная связь атомов кристаллической решетки, условное 

обозначение атома и его связь с другими атомами 

 
Из квантовой физики известно, что электроны обладают дис
кретными значениями энергии. На энергетических диаграммах этим 
значениям соответствуют фиксированные энергетические уровни. В 
соответствии с принципом Паули на одном энергетическом уровне 
(одной орбите) может быть не более двух электронов с различными 
спинами. Поэтому, в твердых телах, вследствие взаимодействия соседних атомов, энергетические уровни расщепляются на большое 
число отдельных, близко расположенных по энергиям уровней. Такие энергетические уровни могут быть разрешенными и запрещенными для заполнения электронами. 

Совокупности разрешенных энергетических уровней образуют 

разрешенные энергетические зоны, а совокупности запрещенных 
уровней – образуют запрещенные зоны. В общем случае таких зон 
может быть несколько. Наибольший интерес представляют валентная зона (ВЗ) и зона проводимости (ЗП), так как от их взаимного 
расположения и степени заполнения зависит электрические и другие свойства полупроводника. Разрешенная зона, которая при Т=0 
К, полностью заполнена электронами, называется валентной зоной 
(ВЗ). Расположенная над ней следующая разрешенная зона, которая 
при Т=0 К пуста (свободна от электронов), называется зоной проводимости (ЗП). При Т>0 К эта зона полностью или частично занята электронами, которые называются электронами проводимости, 
т.к. именно они определяют электропроводность вещества.  

 

Упрощенная структура энергетических зон германия и 
кремния представлена на рис. 
1.3, где ВЗ, ЗЗ и ЗП – валентная зона, запрещенная зона и 
зона проводимости соответственно; W – ширина ЗЗ, a, 
WД , WП и WF – энергетические уровни, соответствующие дну ЗП, потолку В3 и 
уровню Ферми p- и n- полупроводников. 

. Ширина ЗЗ максимальна у диэлектриков, а у металлов равна 

нулю. У различных полупроводников она различна:  
WGe =0,72; WSi = 1,12; WGaAs = 1,43 эВ. 

Основные физические процессы в полупроводниках. При Т=0 

К все электроны связаны с атомами и находятся в ВЗ, в ЗП электронов нет, проводимость равна нулю (рис. 1.4,а).  

При повышении температуры или других энергетических воз
действиях, электроны получают дополнительную энергию, разрывают некоторые связи и превращаются в свободные, перемещающиеся внутри кристаллической решетки (рис. 1.4,б). При этом на 
месте разорванной связи в ВЗ образуется дырка (вакансия), ведущая 
себя как единичный положительный заряд. Электроны и дырки являются свободными (подвижными) носителями заряда, определяющими электропроводимость полупроводника. Процесс образования 
пары “свободный электрон – дырка” называется генерацией электронно- дырочных пар. На энергетической диаграмме этот процесс 
отображается переходом электрона из ВЗ в ЗП, вследствие чего в 
ВЗ появляется дырка, а в ЗП – электрон проводимости (рис. 1.5,б). 
Количество образующихся таким образом пар тем больше, чем выше температура, сильнее другие энергетические воздействия и 
меньше ширина ЗЗ. Разность концентраций НЗ до и после энергетических воздействий на полупроводник называется избыточной. 

Образовавшаяся дырка совершает хаотическое движение по 

кристаллу до тех пор, пока не встретится с электроном. Если при 
встрече расстояние между ними настолько мало, что кулоновское 
притяжение не позволит им разойтись, то они сольются. Процесс 
такого слияния называется рекомбинацией. 

Рис. 1.3. Упрощенная структура 

энергетических зон Ge и Si

Рис. 1.4. Физические процессы в атомах вещества 

 
Суть рекомбинации состоит в восстановлении разрушенной ко
валентной связи и исчезновении пары “электрон – дырка”. На энергетической диаграмме это отображается переходом (возвращением) 
электрона из ЗП в ВЗ (рис. 1.5,в). В состоянии термодинамического 
равновесия процессы генерации и рекомбинации уравновешены: 
количество 
генерируемых 
в 
единицу 
времени 
электронно
дырочных пар равно количеству рекомбинируемых (погибающих). 
Классификация полупроводников. По структуре и свойствам полупроводники делятся на собственные (i – типа от англ. intrinsic) и примесные, которые могут быть донорными и акцепторными. В донорных 
полупроводниках атомы примеси отдают, в акцепторных – принимают 
электроны. Кроме того, полупроводники могут быть вырожденными (полуметаллами) и невырожденными. 

Примесные полупроводники получают путем легирования ис
ходного полупроводника, т.е. введением в него небольшого количества атомов примесного полупроводника с целью придания ему 
требуемых свойств. Введение примесных атомов резко увеличивает 
удельную проводимость полупроводника, т.к. увеличиваются концентрации электронов в ЗП и дырок в ВЗ на несколько порядков. 
Изменением типа легирующей примеси n или p выбирают тип электропроводимости – электронную или дырочную, а изменением степени легирования задают величину удельной электрической прово