Основы электроники

Е. Л. Рыжова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
Р93 
 
 
 
Рецензент: 
д. т. н., профессор, директор филиала Псковского государственного  
университета в городе Великие Луки Катченков Сергей Александрович 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рыжова, Е. Л. 
Р93  
Основы электроники : учебное пособие / Е. Л. Рыжова. – Москва ;  
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 160 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1600-9 
 
Представлены общие сведения о полупроводниках. Рассмотрен электронно-дырочный переход, полупроводниковые диоды, стабилитроны и 
основные типы силовых диодов. 
Для студентов электротехнических направлений. Может быть полезно 
специалистам в области промышленной электроники, схемотехники, приборостроения. 
 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1600-9 
” Рыжова Е. Л., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
 
ЧАСТЬ I 
1.1 Общие сведения о полупроводниках .................................................................. 9 
1.1.1 Механизм электропроводности полупроводников 
..................................... 9 
1.1.2 Собственная и примесная проводимости .................................................. 11 
1.2 Электронно-дырочный переход 
......................................................................... 12 
1.2.1 Вентильные свойства р-n-перехода 
............................................................ 16 
1.2.2 Вольт-амперная характеристика p-n-перехода ......................................... 19 
1.2.3 Виды пробоя перехода 
................................................................................. 22 
1.3 Полупроводниковые диоды, их устройство и принцип действия 
.................. 25 
1.3.1 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода ......................................... 28 
1.3.2 Классификация диодов, их основные характеристики и параметры 
...... 30 
1.3.3 Стабилитроны, их основные параметры 
.................................................... 37 
1.3.4 Основные типы силовых диодов ................................................................ 39 
 
ЧАСТЬ II  
2.1 Транзисторы 
......................................................................................................... 42 
2.1.1 Биполярные транзисторы. Устройство и принцип действия 
................... 44 
2.1.2 Схемы включения биполярных транзисторов .......................................... 50 
2.1.3 Усилительный каскад на биполярном транзисторе 
.................................. 52 
2.1.4 Полевой транзистор ..................................................................................... 53 
2.1.5 Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) 
.................. 62 
2.2 Тиристоры ............................................................................................................ 64 
2.3 Комбинированные приборы 
............................................................................... 70 
2.4 Интегральные микросхемы ................................................................................ 73 
 
ЧАСТЬ III 
3.1 Оптоэлектронные устройства.   
Классификация оптоэлектронных устройств ......................................................... 76 
3.1.1 Светочувствительные устройства .............................................................. 78 
3.1.2 Светоизлучающие устройства .................................................................... 82 
3.2 Транзисторные усилители. Классификация усилителей 
................................. 91 
3.3 Основные параметры усилителя 
........................................................................ 93 
3.4 Характеристики усилителей 
............................................................................... 94 
3.5 Устройство усилителя 
......................................................................................... 96 
3.6 Обратная связь в усилителях............................................................................ 100 
3.7 Режимы работы усилителей мощности 
........................................................... 102 
3.8 Основные схемы усилителей на транзисторах 
............................................... 104 
3.9 Резистивный и резонансный усилители 
.......................................................... 112 
3.10 Операционные усилители 
............................................................................... 116 
3.11 Дифференциальный усилитель 
...................................................................... 120 
3.12 Усилители мощности на транзисторах ......................................................... 122 
3 

ЧАСТЬ IV. Импульсные и автогенераторные устройства 
................................. 125 
4.1 Параметры импульсов и импульсных устройств 
........................................... 125 
4.2 Простейшие формирователи импульсов 
......................................................... 128 
4.3 Ограничители уровня 
........................................................................................ 128 
4.4 Транзисторный ключ ........................................................................................ 129 
4.5 Триггер ............................................................................................................... 131 
4.6 Электронные генераторы 
.................................................................................. 132 
4.6.1 Автогенератор типа LС 
.............................................................................. 134 
4.6.2 Автогенераторы типа RС 
........................................................................... 135 
4.6.3 Мультивибраторы ...................................................................................... 136 
4.6.4 Генератор импульсов треугольной формы 
.............................................. 139 
4.6.5 Ждущий мультивибратор .......................................................................... 140 
4.6.6 Генератор пилообразного напряжения .................................................... 141 
 
ЧАСТЬ V. Основы цифровой электроники и микропроцессорной техники ... 143 
5.1 Типы микропроцессоров и архитектура вычислительных устройств ......... 145 
5.1.1 Основные типы микропроцессоров 
.......................................................... 145 
5.1.2 Основные команды и регистры микропроцессоров ............................... 146 
5.1.3 Архитектура вычислительных устройств 
................................................ 148 
5.1.4 Структура и функционирование микропроцессоров ............................. 151 
5.2 Микропроцессорные системы и микроконтроллеры .................................... 153 
5.2.1 Микропроцессорные комплекты и микропроцессорные системы ....... 153 
5.2.2 Микроконтроллеры .................................................................................... 155 
5.2.3 Многопроцессорные системы 
................................................................... 156 
5.3 Представление информации в микро-ЭВМ и системы счисления .............. 157 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 158 
 
 
 
 
 
4 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Современная электроника стала одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в мире. Создание больших и сверхбольших интегральных микросхем, микропроцессоров и микропроцессорных систем позволило организовать массовое производство электронных вычислительных машин и компьютеров высокого быстродействия, различных видов электронной 
аппаратуры, систем и устройств управления технологическими процессами, 
систем связи, экспертных, контролирующих и других систем. 
Электроника – это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств. 
В истории развития электроники можно выделить четыре основных этапа: электронных ламп (с 1904 г.), транзисторов (с 1947 г.), интегральных схем 
(с 1958 г.), функциональных устройств с использованием объемных эффектов 
(с 1980 г.), и четыре главные области применения: электросвязь, радиоэлектронная аппаратура широкого применения, вычислительная техника и промышленная электроника. 
Электросвязь охватывает следующие направления техники: радиосвязь, 
радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, 
многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконнооптическую и сотовую связи. В сфере телекоммуникаций прогнозируется, что в 
ближайшем будущем 80  систем связи перейдут на цифровые стандарты, 
произойдёт существенный скачок в развитии микросотовой персональной телефонии, на которую будет приходиться до 15  мирового рынка мобильной 
связи. Это обеспечит повсеместную возможность приёма и передачи информации любых форматов и объёмов. 
К радиоэлектронной аппаратуре относят: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, радиолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики, электронные часы, электронные игрушки и др. 
Вычислительная техника связана с разработкой и применением электронно-вычислительных машин, автоматизированных систем управления, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных информационных, обучающих и контролирующих систем, гибких автоматизированных 
производств и др. Специалисты прогнозируют, что в ближайшие годы ожидается создание и широкое распространение карманных компьютеров, рост использования суперЭВМ с параллельной обработкой информации. 
Промышленная электроника включает электротехническое и энергетическое оборудование, устройства электропитания, станки с числовым программным управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, телеметрии, 
радиолокации и радионавигации, измерительную аппаратуру, лазерную техни5 

ку, ядерную электронику, медицинскую аппаратуру, биологическую электронику и др. 
В литературе представлены многие направления развития электроники, в 
которых в качестве классификационных признаков выступают: специфика технологии производства, особенности использования электронных устройств, 
технические решения и характеристики электронных приборов и узлов и др. 
Среди современных направлений электроники, излагаемых в учебных дисциплинах, назовем микроэлектронику, информационную и функциональную (в 
том числе молекулярную) электроники. 
Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами как в 
направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новых физических явлений. 
В интегральной микроэлектронике используется принцип дискретной 
электроники, основанный на разработке электронной схемы по законам теории 
цепей. Этот принцип связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций. Однако 
повышение степени интеграции микросхем и связанное с этим уменьшение 
размеров элементов (уже достигнут топологический уровень 90...45 нм) имеет 
определенные пределы. К тому же интеграция свыше сотен тысяч элементов на 
одном кристалле оказывается технологически трудно выполнимой и не всегда 
экономически целесообразной. 
Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально другой подход: получение специальных сред с наперед заданными свойствами, основываясь непосредственно на физических явлениях в таких материалах, как 
сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами, аморфные материалы, органические полупроводники и др. Для обработки 
информации используют оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука, эффект накопления и переноса зарядов в приборах с зарядной связью, явления, основанные на квантовых когерентных свойствах – эффект Джозефсона и др. Реализация элементов на указанных свойствах позволяет получить приборы со сложным схемотехническим 
или системотехническим функциональным назначением. 
В функциональной микроэлектронике успешно используют явления, связанные с изменением структуры тел на молекулярном уровне. Эти явления 
привели к возникновению нового направления – молекулярной электроники и 
биоэлектроники, в которых электронные элементы и устройства организованы 
на уровне отдельных молекул и их комплексов. К этому направлению относят 
также фазовые переходы в твердых телах и жидких кристаллах, приводящие к 
резким изменениям электрических, магнитных и оптических свойств и высокой 
чувствительности к внешним воздействиям, что позволяет легко осуществлять 
ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных устройствах. 
В настоящее время ведутся большие исследования в различных направлениях биоэлектроники, результаты которых показывают, что использование 
6 

явлений живой природы может привести к новой научно-технической революции в этой области техники.  
Современное структурное и схемное проектирование основано на использовании мощных силовых элементов, аналоговых и цифровых микросхем, 
номенклатура которых чрезвычайно разнообразна. Однако в любом устройстве 
можно выделить основные электронные приборы, на которых они построены. Среди них выделим: 
x электронные электровакуумные приборы (электронные лампы, 
электронно-лучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи 
и др.); 
x ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой 
(тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны); 
x полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит 
в твёрдом теле полупроводников. 
 
Основными классами полупроводниковых приборов являются: 
x диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы; 
x приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени 
интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или 
диэлектрических подложках. 
 
В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах 
различают четыре вида приборов-преобразователей сигналов: 
x электропреобразовательные приборы, у которых электрические сигналы на входах и выходах; 
x электросветовые приборы, у которых под воздействием входных электрических сигналов на выходах формируются световые сигналы; 
x фотоэлектрические приборы, преобразующие входные световые сигналы в электрические; 
x термоэлектрические приборы, у которых тепловые сигналы на входах 
и электрические на выходах. 
 
В зависимости от формы сигналов, обращающихся в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации. 
Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы 
гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители, в том числе операционные. 
К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и 
выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирова7 

ние, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др. 
Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных 
операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к 
цифровым устройствам. 
 
 
 
 
 
8 

 
ЧАСТЬ I 
 
1.1 Общие сведения о полупроводниках 
 
1.1.1 Механизм электропроводности полупроводников 
 
Все материалы (вещества) по удельному электрическому сопротивлению 
условно делятся на 3 группы: 
1. Металлы. 
2. Полупроводники. 
3. Диэлектрики. 
 
Полупроводниками называют группу твердых кристаллических веществ, 
удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов (проводников) и диэлектриков. Полупроводниками являются элементы четвертой группы таблицы Менделеева, например 
Германий (Ge), Кремний (Si) или Селен (Se), и соединения элементов, например арсенид галлия (GaAs), фосфорит галлия (GaP), карбид кремния (SiC). Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание их электропроводности с ростом температуры и при введении 
в полупроводник специальных примесей. При повышении температуры удельное электрическое сопротивление у металлов увеличивается, у полупроводников – уменьшается. 
 Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками 
условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как 
полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В полупроводниках носители заряда возникают лишь при 
повышении температуры или поглощении энергии от другого источника. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в 
полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника. 
Процессы электропроводности в полупроводниках во многом отличаются 
от процессов электропроводности в металлах. Наиболее важное отличие состоит в том, что в полупроводниках электропроводность осуществляется двумя 
различными видами движения электронов. Кроме того, проводимость полупроводников можно менять в широких пределах, добавляя ничтожно малые количества примесей.  
Типичными полупроводниками являются германий (Ge) и кремний (Si). 
Рассмотрим качественно процессы электропроводности в полупроводниках на 
примере кремния. В состав его атома входят 14 электронов, четыре из которых 
находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. 
Эти электроны называются валентными. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью кова9 

лентных связей, при которой валентные электроны совместно используются 
различными атомами, что приводит к образованию кристалла. На рис. 1.1.1 
представлена структура кристалла кремния. 
Ковалентные связи 
 
 
Атомы кремния 
 
Рис. 1.1.1. Структура кристалла кремния 
 
При температуре, равной абсолютному нулю, свободные носители заряда 
в кристалле отсутствуют. При повышении температуры тепловые колебания 
приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого электроны, участвовавшие ранее в создании валентных связей, отщепляются и становятся электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток. 
При освобождении электрона в кристаллической решетке появляется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами получили название дырок. Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но в другом месте появится дырка. В эту 
новую дырку, в свою очередь, может перейти какой-либо из других электронов 
связи и т. д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов, что равносильно перемещению положительного заряда. Таким образом, 
в полупроводнике имеются два типа носителей заряда – электроны и дырки, а 
общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (п-типа) и дырочной проводимости (р-типа). 
 
 
10