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. Поупроводни-
ковые 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 научно-
технической 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 металл-
полупроводник (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), гетеринжекци-
онного 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-