Электротехника и электроника (раздел Электроника) : Ч. 1. Полупроводниковые приборы и физические основы их работы

Московский 
государственный 
горный 
университет 

РЕДАКЦИОННЫЙ 

С
О
В
Е
Т 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
М О С К О В С К О Г О 
Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н О Г О 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

Пр ед 
седатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 
ректор 
МЕРУ, 
чл.-корр. 
РАН 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 
директор 
Издательства 
МГГУ 

Члены 
редсовеша 

ИВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 
академик 
РАЕН 

АЛ. 
ДМИТРИЕВ 
академик 
РАЕН 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 
академик 
РАЕН 

М.В. КУРЛЕНЯ 
акаделшк 
РАН 

В.И. ОСИПОВ 
академик 
РАН 

Э.М. 
СОКОЛОВ 
академик 
МАН 
ВШ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 
академик 
РАН 

В.В. ХРОНИН 
профессор 

В.А. ЧАНТУРИЯ 
академик 
РАН 

Е.И. ШЕМЯКИН 
академик 
РАН 

Л.Г. Наумкина 

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
И ЭЛЕКТРОНИКА 

(раздел Электроника) 

ЧАСТЬ 1 
Полупроводниковые 
приборы 
и физические 
основы их работы 

Допущено Учебно-методическим Советом МГГУ 
в качестве учебного пособия по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов вузов, 
обучающихся по специальности 120 ООО «Технология .машиностроения» 

Высшее 

горное 

образование 

А

МОСКВА 
ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 

t 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
2005 

У Д К 621.382 
ББК 32.85 
Н 3 4 

Экспертиза проведена 
Учебно-методическим Советом Ml J У (выписка из 
протокола № 14 заседания 
УМС от 05.09.2005 г.) 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для 
взрослых. СанПиН 1.2.1253 — 03», утвержденным Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецензент — проф, канд. техн. наук А.Д. Яризов (РГУ нефти и газа 
им. И.М. Губкина) 

Наумкина Л . Г . 

Н 34 
Электротехника и электроника (раздел Электроника): Учебное пособие для вузов. — М : Издательство Московского государственного 
горного университета, 2005. — Часть 1: Полупроводниковые приборы 
и физические основы их работы. — 90 с.: ил. 

ISBN 5-7418-0404-7 

Изложены физические принципы 
построения простейших электронных 
устройств, в основе которых лежит p-n-переход. Дан принцип работы различных 
типов диодов: выпрямительных, стабилитронов, стабисторов, диодов Шоттки, оптронов. Рассмотрено их использование для выпрямления переменного тока, в качестве диодных ограничителей, для выделения максимального и минимального 
сигналов, настройки резонансных контуров и стабилизации выпрямленного напряжения. Описана работа биполярных и полевых транзисторов. Приведены схемы использования их в ключах и переключателях тока. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология машиностроения». 

УДК 621.382 
ББК 32.85 

ISBN 5-7418-0404-7 
© Л.Г. Наумкина, 2005 
© Издательство МГГУ, 2005 
©Дизайн книги. 
Издательство МГГУ, 2005 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Знание электроники является обязательным для инженернотехнических работников, даже если они занимаются только эксплуатацией электронного оборудования и систем автоматического и автоматизированного управления. Такая грамотность необходима на современном уровне развития производства как знание таблицы умножения в школе. 

Данное учебное пособие является первой частью пособия по 
дисциплине «Электротехника и электроника» (раздел Электроника) для студентов специальностей «Автоматизированные системы 
обработки информации и управления» и «Технология машиностроения ». 

Планируется издание учебного пособия по данной дисциплине, состоящего из четырех частей: 

часть I . «Полупроводниковые приборы и физические основы 
их работы»; 

часть II. «Цифровые и аналоговые интегральные схемы»; 
часть Ш. «Усилители и функциональные генераторы»; 
часть IV. «Аппаратные средства вычислительных систем». 
Написание данного учебного пособия продиктовано необходимостью изложения довольно сложного материала на уровне пользователя с пониманием физических процессов, происходящих в 
устройствах, не прибегая к математическому аппарату; объяснения 
принципа работы электронных приборов на базе интегральных 
схем малой, средней и большой степени интеграции; рассмотрения 
работы вычислительных устройств. 

Пособие включает в себя три темы: полупроводниковые диоды; транзисторы биополярные и полевые. 

5 

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ 

Изучение любой науки начинается со знакомства с историей 
ее развития. Это необходимо, чтобы: 

• знать все задачи, стоящие перед наукой; 
• знакомиться с историческими факторами в развитии науки; 
• знать, как каждое новое открытие закладывало фундамент 
науки; 

• понимать, что история развития науки часто бывает поучительна, например, известные ученые ХГХ века (Маркони и 
Ли де Форест — ученые с мировыми именами) заявляли о бесперспективности радиовещания, и только интуиция и настойчивость инженеров дали ему развитие; 

• натолкнуться на давно забытые идеи, например, первый полупроводниковый диод был создан инженером Лосевым в 1922 г. 
в России, а первый биполярный транзистор — только в 1948 г. в 
США; жидкие кристаллы были открыты 100 лет назад, а использовать их стали только в наше время; 

• оценить значимость науки в экономике и обороноспособности страны; 

• уметь составлять прогнозы на будущее в развитии науки. 
В своем развитии электроника прошла несколько этапов. 
Первый этап в развитии электроники называется ламповой электроникой — радиоэлектроникой, так как основным потребителем 
научных открытий была радиопромышленность. В 1914 г. ученые 
Бонч-Бруевич и Папалекси независимо друг от друга изобрели первую электронную лампу, и до 1941 г. было создано свыше 300 разновидностей радиоламп. В обществе не было таких технических задач, которые не решались бы элементной базой радиоэлектроники. 

Итак, этот период характеризует состояние основных потребителей электронных ламп следующим образом: 

• радиовещание уже достаточно развитая область; 
• телевидение находится в зачаточном состоянии; 
• вычислительная техника в этот период еще не приняла 
элементную базу электроники, она механического типа, но разрабатываются основные концепции вычислительного процесса. 

6 

Великая отечественная война стала катализатором развития 
радиоэлектроники: появились локаторы, самолетные станции ближнего обнаружения, управляемые снаряды, в электронные схемы 
управления которых были заложены некоторые принципы интегральных схем (ИС), гидролокаторы для обнаружения подводных лодок, первые ламповые ЭВМ. Все эти открытия принадлежат военной промышленности, но в мирное время они становятся достоянием гражданской промышленности. 

Второй этап получил название электроники, ибо она становится элементной базой изделий в любой отрасли народного хозяйства. В 1948 г. три американских ученых Д. Бардин, В. Браттейн и В. Шокли создали первый полупроводниковый транзистор на базе германия, за что и получили Нобелевскую премию. 
Первые транзисторы были полны несовершенства, но постепенно разрабатывается технология изготовления транзисторов: сплавление, диффузионная, планарно-эпитаксиальная; создаются транзисторы с различными параметрами, характеристиками (по потребности промышленности). Составляются справочники по транзисторам. Но запасы германия быстро исчерпываются, ищут новый материал и находят — в 1954 г. делают первый транзистор 
на базе кремния, запасы которого неограничены. Затем ( в 1952 г.) 
разрабатываются полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом (ПТ) и туннельные диоды. И, как всегда, с появлением 
новой элементной базы — первые транзисторные ЭВМ (1960 г.). 

Третий этап электроники характеризуется качественным скачком и называется микроэлектроникой. Начало этого этапа можно отнести к 1959 г., когда французские ученые Килби и Нойс 
создали первую ИС. Идет постепенная отработка цифровых (ключевых, импульсных) элементов: ТЛНС — транзисторная логика 
с непосредственными связями, РТЛ — резистивно-транзисторная логика, РЕТЛ — резистивно-емкостная транзисторная логика, ДТЛ — диодно-транзисторная логика. Элементы этих логик 
обладают некоторыми недостатками, от которых пытаются избавиться в дальнейших разработках. Наконец в 1963 г. появляются ИС ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Серия этих 
ИС и поныне считается самой функционально полной, хорошо 

7 

отработанной и широко используемой. Все последующие разработки ИС других логик пытались сделать согласуемыми с элементами ТТЛ. В период с 1968 по 1970 гг. идет бурное развитие 
вычислительной техники на базе ИС. Появляются мини-ЭВМ, 
которые лишены универсальности, но уменьшаются габариты вычислительной техники, их стоимость и потребление мощности, одновременно увеличивается надежность работы и срок службы их. 

В 1970 г. произошел качественный скачок в развитии электроники, когда жесткая логика элементной базы была заменена на 
гибкую созданием микропроцессорной большой интегральной схемы (МП БИС), работающей под управлением программы (программно управляемой). Это можно считать унификацией элементной базы, так как функция, выполняемая МП БИС, зависит от программы пользователя. Значимость МП БИС выше, чем появление 
полупроводниковой электроники, так как позволило приблизить 
вычислительную технику к объекту, на который она работает. 

Термин «микропроцессор» появился в 1971 г., когда фирма 

«Intel» выпустила МП серии 4004 — интегральный микропрограммируемое вычислительное устройство — однокристальный 
центральный процессор, имеющий в составе четырехразрядный 
параллельный сумматор, 16 четырехразрядных регистров, накапливающий сумматор, стек. Этот МП реализован на 2300 транзисторах и мог выполнять 45 различных команд. Последующие 
поколения микропроцессоров создаются с увеличением разрядности машинного слова: восьми-, шестнадцати- и тридцатидвухразрядного слов. За прошедшие годы количество транзисторов 
на кристалле возросло в 200 раз, тактовая частота увеличилась в 
50 раз, а производительность — на 2 — 3 порядка. 

Темпы микропроцессорной революции превосходят интенсивность развития обычных средств вычислительной техники. Время, 
прошедшее между изобретением микропроцессора и внедрением 
32-разрядной архитектуры, составляет дестилетие, за которое было 
ликвидировано отставание МП техники от обычных ЭВМ. 

Немного об истории появления микропроцессора. 
В 1969 г. фирма «Intel» объявила о создании микросхемы, содержащей НСбит (1024 бит) памяти типа R A M (оперативное за8 

поминающее устройство). Тогда еще не существовало других микрокомпьютерных чипов, к которым можно было привязать эту 
микросхему памяти. В это же время к фирме «Intel» обратилась 
японская компания «Бьюсиком», выпускающая калькуляторы, с заказом на производство набора специализированных микросхем. 
Микросхемы (МИС) были разработаны инженерами фирмы «Бьюсиком» для нового семейства калькуляторов, которые должны были состоять из нескольких микросхем, каждая из которых содержала от 3000 до 5000 транзисторов. Была создана группа японских 
инженеров, получивших представительство в фирме «InteI», к которой был придан один из разработчиков этой фирмы Маршан Хофф. 

Хофф ознакомился с проектом и нашел, что проект слишком 
сложен для того, чтобы быть рентабельным. Он рассудил, что 
сложность калькулятора может быть сильно уменьшена, если использовать в нем небольшой универсальный процессор. Такой подход, использующий программное обеспечение вместо электронной 
логики для вычислений, должен резко повысить потребность калькулятора в памяти, чем и занималась фирма «Intel». Хофф понял, 
что такой процессор может быть применен и в других приложениях, а потому продал свою идею руководству фирмы «Intel». 

Параллельно японским инженерам Хофф и его группа начали 
работать над альтернативным проектом. Хотя японские инженеры 
упростили свой проект, все равно каждая МИС должна была содержать 2000 транзисторов и количество МИС равнялось 12. 

Универсальный процессор Хоффа выиграл соревнование с 
проектом японской компании и американская фирма получила 
контракт на производство универсального процессора, который 
позже получил название 4004. 

Непосредственное производство МИС оказалось довольно 
трудным, пока с фирмой «Intel» не начал сотрудничать технолог 
Федерико Фаджин, который довел МИС процессора от стадии 
концепции до кремниевого кристалла всего за девять месяцев. В 
ноябре 1971 г. фирма «Intel» рекламировала процессор, выполР1яющий 60 000 операций в секунду. 

Первые МП имели ограниченный набор команд и программировались в машинных кодах. Благодаря совершенствованию 

9 

архитектуры вычислительных систем, появлению языков высокого 
уровня, росту производительности и гибкости микропроцессорной 
техники область применения МП неизмеримо расширилась. Их используют для испытаний, управления, в ко1ггрольноизмерительной 
аппаратуре, в бытовых приборах. Микропроцессоры ввели в жизнь 
машинные игры и персональные компьютеры. 

Разработка и производство больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС) в значительной степени изменили 
подход к созданию электронной аппаратуры различного назначения. БИС и СБИС многократно увеличивают плотность монтажа аппаратуры и не могут рассматриваться как совокупность 
множества полупроводниковых приборов и других элементов, а 
являются едиными функционально законченными устройствами, возможности которых неограниченны.