Основы электроники

Москва, 2023

А. Л. Марченко

ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ

Допущено Научнометодическим советом по электротехнике и электронике
Министерства образования и науки российской федерации
в качестве учебного пособия по общепрофессиональной дисциплине
«Электротехника и электроника» для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров
550000 технические науки и по неэлектротехническим направлениям подготовки дипломированных специалистов 650000 техника и технологии

2-е издание, электронное

УДК 621.375.132
ББК 32.846.6
М30

Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук, профессор А. Е. Краснопольский (МИСиС) 
кандидат технических наук, профессор Ю. Е. Бабичев (МГГУ)

М30
Марченко, Алексей Лукич.

Основы электроники : учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко. — 2-е изд., 
эл. — 1 файл pdf : 294 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe 
Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-389-9

Книга представляет собой учебное пособие по основам электроники, материал которой 
структурирован в соответствии с Государственным стандартом и программой по общепрофессиональной 
дисциплине для вузов «Электротехника и электроника».
Материал книги разбит на две части. В первой части рассматривается элементная база, 
а также основы аналоговой, импульсной и цифровой электроники. Вторая часть посвящена 
испытанию электронных устройств, смоделированных в программной среде NI Multisim 10.
Издание предназначено для студентов высших учебных заведений, а также может быть 
полезно инженерам и другим научно-техническим специалистам. 30-дневную демо-версию 
Multisim 10 можно скачать на сайте корпорации National Instruments. Схемы электронных 
устройств, cпроектированные в среде NI Multisim 10 и рассмотренные в книге, размещены 
на сайте издательства и автора — marchenko.elinf.ru.

УДК 621.375.132 
ББК 32.846.6

Электронное издание на основе печатного издания: Основы электроники : учебное пособие для 
вузов / А. Л. Марченко. — Москва : ДМК Пресс, 2016. — 293 с. — ISBN 978-5-97060-365-9. — Текст : 
непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и 
какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок 
все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых 
сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием 
книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты 
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-389-9
© Марченко А. Л., 2013 
© Оформление. ДМК Пресс, 2016

Содержание

Предисловие .................................................................. 8

Сокращения терминов, аббревиатуры ...............................10

Введение ......................................................................13

Тема 1. Полупроводниковые приборы................................17

1.1. Электроннодырочный переход ..................................................................... 17

1.2. Диоды и их свойства ....................................................................................... 19

1.3. Разновидности диодов ................................................................................... 21

1.4. Транзисторы ................................................................................................... 26

1.4.1. Биполярные транзисторы ....................................................................... 26

1.4.2. Понятие о полевых транзисторах ............................................................ 31

1.5. Биполярный транзистор с изолированным затвором ..................................... 33

1.6. Тиристоры ...................................................................................................... 34
1.7. Интегральные микросхемы ............................................................................. 37

Вопросы к теме 1 ................................................................................................... 39

Тема 2. Источники вторичного электропитания ...................41

2.1. Общие положения........................................................................................... 41

2.2. Однофазные выпрямители ............................................................................. 42

2.3. Трехфазные выпрямители .............................................................................. 45
2.4. Сглаживающие фильтры ................................................................................. 47

2.5. Стабилизаторы напряжения и тока ................................................................. 51

2.6. Управляемые выпрямители ............................................................................ 54

2.7. Внешние характеристики выпрямителей ........................................................ 55

Вопросы к теме 2 ................................................................................................... 56

Тема 3. Электронные усилители .......................................58

3.1. Назначение и классификация электронных усилителей ................................. 58
3.2. Характеристики усилителей ........................................................................... 60

3.3. Типовая схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе,
включенного по схеме с ОЭ .............................................................................. 62

3.4. Эмиттерный повторитель ............................................................................... 66

3.5. Дифференциальный усилитель ...................................................................... 67

3.6. Режимы работы усилительных каскадов ......................................................... 69

3.7. Каскадное соединение усилителей ................................................................ 70

3.8. Усилители мощности на транзисторах ............................................................ 71

3

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

3.9. Операционные усилители ............................................................................... 73

Вопросы к теме 3 ................................................................................................... 74

Тема 4. Импульсные устройства. Автогенераторы ...............76

4.1. Общие понятия ............................................................................................... 76

4.2. Параметры импульсов и импульсных устройств ............................................. 77

4.3. Простейшие формирователи импульсов ........................................................ 78
4.4. Ограничители уровня ...................................................................................... 79

4.5. Транзисторный ключ ....................................................................................... 80

4.6. Триггер ........................................................................................................... 82

4.7. Электронные генераторы ............................................................................... 83

4.7.1. Автогенератор типа LC............................................................................ 84

4.7.2. Автогенераторы типа RC ......................................................................... 85

4.7.3. Мультивибраторы ................................................................................... 86

4.7.4. Генератор импульсов треугольной формы .............................................. 89
4.7.5. Ждущий мультивибратор ........................................................................ 90

4.7.6. Генератор пилообразного напряжения ................................................... 90

Вопросы к теме 4 ................................................................................................... 91

Тема 5. Логические основы цифровых устройств.................93

5.1. Общие сведения о цифровых устройствах ...................................................... 93

5.2. Элементы алгебры логики .............................................................................. 96
5.3. Основные логические операции и способы их аппаратной реализации ......... 99

5.4. Универсальные логические операции и их особенности .............................. 102

5.5. Представление логических функций математическими выражениями ......... 104

5.6. Переход от логической функции к логической схеме .................................... 105

5.7. Минимизация логических функций ............................................................... 106

5.8. Запись и реализация логических функций в универсальных базисах ........... 107

5.9. Программируемые логические матрицы ...................................................... 110

Вопросы к теме 5 ................................................................................................. 112

Тема 6. Функциональные узлы цифровых устройств .......... 114

6.1. Комбинационные и последовательностные устройства ............................... 114

6.2. Дешифраторы и шифраторы ........................................................................ 116

6.3. Мультиплексоры и демультиплексоры .......................................................... 118

6.4. Компаратор .................................................................................................. 120

6.5. Двоичные полусумматоры и сумматоры ....................................................... 121

6.6. Цифроаналоговые и аналогоцифровые преобразователи .......................... 123
6.6.1. Цифроаналоговые преобразователи .................................................... 123

6.6.2. Аналогоцифровые преобразователи ................................................... 125

6.7. Триггеры ....................................................................................................... 127

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

5

6.7.1. Асинхронный RSтриггер ...................................................................... 127

6.7.2. Синхронный RSтриггер ....................................................................... 129

6.7.3. Ттриггер .............................................................................................. 129

6.7.4. Dтриггер .............................................................................................. 129

6.7.5. JKтриггер ............................................................................................ 131

6.8. Счётчики ....................................................................................................... 132

6.8.1. Классификация счётчиков .................................................................... 132
6.8.2. Счётчик с непосредственными связями ............................................... 133

6.8.3. Суммирующий синхронный счётчик ..................................................... 135

6.8.4. Реверсивный синхронный счётчик ........................................................ 136

6.8.5. Десятичный счётчик .............................................................................. 137

6.9. Регистры и регистровая память .................................................................... 138

6.10. Арифметикологические устройства .......................................................... 140

6.10.1. Классификация и обобщенная структура АЛУ ..................................... 140

6.10.2. Универсальное АЛУ в интегральном исполнении ................................ 142
6.11. Запоминающие устройства ........................................................................ 144

6.11.1. Классификация запоминающих устройств ......................................... 144

6.11.2. Схемы элементов памяти .................................................................... 145

Вопросы к теме 6 ................................................................................................. 150

Тема 7. Микропроцессорные устройства ......................... 151

7.1. Общие сведения о микропроцессорах......................................................... 151
7.2. Типы микропроцессоров и архитектура вычислительных устройств ............. 153

7.2.1. Основные типы микропроцессоров ...................................................... 153

7.2.2. Основные команды и регистры микропроцессоров.............................. 155

7.2.3. Архитектура вычислительных устройств ............................................... 157

7.2.4. Структура и функционирование микропроцессоров............................. 159

7.3. Микропроцессорные системы и микроконтроллеры .................................... 163

7.3.1. Микропроцессорные комплекты и микропроцессорные системы ........ 164

7.3.2. Микроконтроллеры............................................................................... 166
7.3.3. Многопроцессорные системы .............................................................. 167

Вопросы к теме 7 ................................................................................................. 168

Тема 8. Структура и свойства среды моделирования схем
электронных устройств NI Multisim 10 .......................... 169

8.1. Общие положения......................................................................................... 169

8.2. Общие сведения о среде интерактивного проектирования электронных
схем NI Multisim 10.......................................................................................... 171

8.2.1. Установка MS10 .................................................................................... 171

8.2.2. Основные элементы программной среды MS10 ................................... 172

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

8.2.3. Командные строки инструментальной линейки .................................... 177

8.2.4. Измерительные приборы, источники питания и устройства
визуализации ............................................................................................ 180

8.3. Технология сборки схем................................................................................ 181

Тема 9. Моделирование схем аналоговых электронных
устройств ................................................................ 185

9.1. Полупроводниковые диод, стабилитрон и тиристор ..................................... 185

9.2. Однофазные полупроводниковые выпрямители ........................................... 191
9.3. Биполярные и полевые транзисторы ............................................................ 194

9.4. Простейшие транзисторные усилители ........................................................ 200

9.4.1. Усилитель на биполярном транзисторе с ОЭ ........................................ 200

9.4.2. Усилитель на полевом транзисторе с ОИ .............................................. 204

9.4.3. Истоковый повторитель ........................................................................ 207

9.4.4. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах .............. 208

9.5. Электронные устройства на операционных усилителях ................................ 210

9.6. Аналоговые компараторы ............................................................................. 217
9.7. Мультивибраторы ......................................................................................... 224

9.7.1. Симметричный и несимметричный мультивибраторы
и одновибратор ......................................................................................... 224

9.7.2. Генератор линейно изменяющегося напряжения ................................. 227

9.8. Генераторы синусоидальных колебаний ....................................................... 228

9.8.1. Ёмкостная трёхточечная схема LCгенератора ..................................... 228

9.8.2. Индуктивная трёхточечная схема
LCгенератора ........................................................................................... 235

9.8.3. RCгенератор синусоидальных колебаний ........................................... 236

Тема 10. Моделирование схем цифровых
и аналогоцифровых устройств ................................... 240

10.1. Библиотеки цифровых устройств и инструментарий программной
среды MS10 .................................................................................................... 240

10.1.1. Генератор бинарного слова................................................................. 240

10.1.2. Логический анализатор ...................................................................... 245

10.1.3. Схема проверки настроек инструментов Word Generator
и Logic Analyzer .......................................................................................... 248

10.2. Логические элементы и схемы .................................................................... 250

10.2.1. Двоичные логические элементы ......................................................... 250
10.2.2. Логические схемы на элементах ИЛИ, И и НЕ ..................................... 252

10.3. Триггеры ..................................................................................................... 253

10.3.1. RSтриггер на логических элементах ИЛИНЕ .................................... 253

10.3.2. Триггеры Т, Dи JKтипа .................................................................... 255

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

7

10.4. Дешифратор и шифратор ........................................................................... 255

10.5. Демультиплексор и мультиплексор............................................................. 258

10.6. Цифровой компаратор ................................................................................ 262

10.7. Универсальный регистр .............................................................................. 264

10.8. Счётчики ..................................................................................................... 269

10.9. Цифроаналоговый преобразователь .......................................................... 271

10.10. Аналогоцифровой преобразователь ....................................................... 274
10.11. Оптоэлектронные приборы ....................................................................... 280

Заключение ................................................................ 285

Приложение. Каталог схемных файлов электронных
устройств ................................................................ 286

Список литературы....................................................... 289

Предметный указатель ................................................. 291

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ

Современный прогресс развития электроники, широкое внедрение интегральных
микросхем и микропроцессоров дали возможность в десятки раз уменьшить массу и
размеры электронной аппаратуры управления и контроля технологическими процессами многих отраслей промышленности, причем микросхемы и микропроцессоры
используются в совокупности аппаратных и программных средств с преобразователями аналоговых сигналов, с унификацией информационных магистралей.
В современных электронных устройствах (дешифраторах, сумматорах, триггерах,
регистрах, счетчиках и многих других) основным видом сигналов являются цифровые. Цифровая техника относится к наиболее динамично развиваемой сфере и во
многом определяет общий технический прогресс. Однако и в цифровой век аналоговые компоненты остаются востребованными, причем именно цифровые технологии
стимулируют разработку и выпуск аналоговых и аналогоцифровых микросхем.
Ускоренное развитие электроники как области науки и техники вызывает потребность к ее познанию при подготовке специалистов многих направлений. Поэтому в
Государственных образовательных стандартах предусмотрено изучение основ микроэлектроники, информационной или промышленной электроники в виде отдельной дисциплины, а для неэлектротехнических направлений подготовки бакалавров (550 000 —
технические науки) и для неэлектротехнических направлений подготовки дипломированных специалистов (650 000 — техника и технологии) — в виде раздела "Основы
электроники" общепрофессиональной дисциплины для вузов 651600 (150400) "Электротехника и электроника".
В настоящее время имеется много хороших учебников и учебных пособий по электротехнике и электронике (перечень некоторых из них приведен в списке литературы), рассчитанных на изучение дисциплины на третьем уровне (180330 часов).
В учебных планах и в рабочих программах на изучение раздела "Основы электроники" указанной дисциплины в аудитории рекомендовано не более 36 часов, включая часы, выделяемые на проведение лабораторнопрактических занятий. В рамках

8

указанного объёма часов на изучение основ электроники удаётся рассмотреть только
базовые электронные приборы и узлы, их характеристики и кратко изложить инженерные приёмы расчета основных параметров указанных устройств.
Многолетней практикой доказано, что процесс познания электроники неразрывно связан как с теоретическим осмыслением явлений и процессов, происходящих в
электронных устройствах, так и с экспериментальными исследованиями схем электронных устройств в лаборатории.
 Наряду с натурными экспериментами в настоящее время широкое распространение получило компьютерное проектирование и испытание электронных схем в таких
средах схемотехнического моделирования, как Electronics Workbenсh, DesignLab, PSpice, MicroLogic, LabVIEW, NI Multisim, Matlab и др. На этапе начального освоения студентами методов проектирования и испытания электронных устройств наиболее приемлемым средством, на наш взгляд, является программная среда NI Multisim
10 компании Electronics Workbenсh Group, входящей в корпорацию National Instruments.
Большое количество и разнообразие моделей электронных устройств, средств анализа и виртуальных приборов делает среду MS10 удобным инструментом для демонстрации и визуализации проявления многих фундаментальных явлений и процессов
аналоговой и цифровой электроники.
Cхемные файлы моделей электронных устройств можно скачать с сайта издательства ДМК Пресс по адресу www.dmkpress.ru или с сайта автора www.marchenko.elinf.ru,
а профессиональную либо студенческую 30дневную версию среды Multisim 10 с сайта корпорации National Instruments www.ni.com/multisim.
Данное учебное пособие подготовлено на основе лекций, читаемых автором в
«МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского, и предназначено для студентов, изучающих, и молодых преподавателей, излагающих в ограниченном объёме часов, основы
электроники в рамках общепрофессиональной дисциплины для вузов "Общая электротехника и электроника".
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность рецензентам рукописи пособия д. т. н., профессору А. Е. Краснопольскому   (МИСиС) и к. т. н., профессору Ю. Е. Бабичеву (МГГУ) за полезные рекомендации и замечания, учтенные
автором при окончательной подготовке рукописи к изданию. Автор благодарит также руководителя инновационных программ корпорации National Instruments в России П. Р. Сепояна за оказанное содействие в издании этой книги.

è‰ËÒÎÓ‚ËÂ

9

ëÓÍ‡˘ÂÌËfl ÚÂÏËÌÓ‚,
‡··‚ˇÚÛ˚

АЛУ — арифметикологическое устройство;

АЦП — аналогоцифровой преобразователь;

АЧХ — амплитудночастотная характеристика;

ВАХ — вольтамперная характеристика;

ГТИ — генератор тактовых импульсов;

ЗУ — запоминающее устройство;

ЕСКД — единая система конструкторской документации;

И2Л — интегральноинжекционная логическая ИМС;

И, ИЛИ, НЕ — дизъюнктор, конъюнктор, инвертор;

ИВП — источник вторичного электропитания;

ИМС — интегральная микросхема;

КМОП — ИМС на основе комплементарных МОПтранзисторов;

КМДП — комплементарная МДПструктура ИМС;

КОП — код операции;

МДП — металлдиэлектрикполупроводник;

МОП — металлокиселполупроводник;

МП — микропроцессор;

МПК — микропроцессорный комплект;

МПС — микропроцессорная система;

ОБ, ОК, ОЭ — общая база, общий коллектор, общий эмиттер;

10

ОЗ, ОИ, ОС — общий затвор, общий исток, общий сток;

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство;

ООС — отрицательная обратная связь;

ОУ — операционный усилитель;

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;

ПК — персональный компьютер;

ПЛМ — программируемая логическая матрица;

ПМЛ — программируемая матричная логика;

ППЗУ — программируемое постоянное запоминающее устройство;

ПОС — положительная обратная связь;

РЕТЛ — резисторноёмкостная логическая ИМС;

РПЗУ — репрограммируемое постоянное запоминающее устройство;

РОН — регистры общего назначения;

РТЛ — резистивнотранзисторная логическая ИМС;

СБИС — сверхбольшая ИМС;

СВЧ — сверхвысокая частота;

СДНФ — совершенная дизъюнктивная нормальная форма;

СКНФ — совершенная конъюнктивная нормальная форма;

ТКС — температурный коэффициент сопротивления;

ТЛНС — транзисторная логическая ИМС с непосредственной связью;

ТКН — температурный коэффициент напряжения;

ТТЛ — транзисторнотранзисторная логическая структура ИМС;

УН, УР, УТ — усилитель напряжения, мощности, тока;

УВЧ, УНЧ, УПТ — усилитель высокой, низкой, промежуточной частоты;

УСВЧ — усилитель сверхвысокой частоты;

УУ — устройство управления;

ФАЛ — функция алгебры логики;

ФЧХ — фазочастотная характеристика;

ЦАП — цифроаналоговый преобразователь;

ЦП — центральный процессор;

ШИ — шинный интерфейс;

ЭВМ — электронновычислительная машина;

ЭДС — электродвижущая сила;

ЭЛС — эмиттерносвязанная логическая структура ИМС;

CDROM — привод компактдиска;

ëÓÍ‡˘ÂÌËfl ÚÂÏËÌÓ‚, ‡··‚ˇÚÛ˚

11

СISC — микропроцессор классической архитектуры;

CMOS — полупроводниковая МОПструктура ИМС;

DSP — цифровой сигнальный микропроцессор;

MISC — микропроцессор, работающий с минимальным набором команд;

MS10 — программная среда NI Multisim 10;

RAM — оперативная память;

RISC — микропроцессор с неполным набором команд;

ROM — постоянная память;

TTL — транзисторнотранзисторная логическая структура ИМС;

VLIM — микропроцессор, имеющий очень длинные команды.

В книге использовано большое количество терминов, связанных с работой в среде NI Multisim 10. Выделенные полужирным шрифтом термины и символьные обозначения в текстах тем 8, 9 и 10 относятся к командам, опциям, закладкам и кнопкам
меню среды MS10, названиям её библиотек, обозначениям компонентов и инструментов, они набраны шрифтом обычного начертания и в таком виде, как они отображаются на экране монитора и на моделях электронных устройств. Примеры набора обозначений:
команд: File, View, Open, Simulate; библиотек: TTL, Basic, Source, Mixed; названий
инструментов: Multimeter, Word Generator; компонентов: OPAMP, VD1, R2, B, X1,
AD846 и т. д.
Однако параметры базовых элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивных
катушек), используемые при написании формул и при выполнении расчётов, записаны в виде индексированных величин, например, сопротивление резистора R1 обозначено как R1, ёмкость конденсатора C2 — как С2 и т. д.

ëÓÍ‡˘ÂÌËfl ÚÂÏËÌÓ‚, ‡··‚ˇÚÛ˚

12

ǂ‰ÂÌËÂ

Современная электроника стала одним из важнейших направлений научнотехнического 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 электронновычислительных машин, автоматизированных систем управления, систем автоматизирован13

ǂ‰ÂÌËÂ

ного 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 технику, 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 9045 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

ǂ‰ÂÌËÂ

15

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 явлений живой
природы может привести к новой научнотехнической революции в этой области техники. К 2020 году прогнозируется начало выпуска биокомпьютеров, встраиваемых в
живые организмы.
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:

электронные электровакуумные приборы (электронные лампы, электроннолучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.);

ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны);

полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом
теле полупроводников.

Основными классами полупроводниковых приборов являются:

диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и
оптоэлектронные приборы;

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 приборовпреобразователей сигналов:

электропреобразовательные приборы, у которых электрические сигналы на входах и выходах;

электросветовые приборы, у которых под воздействием входных электрических
сигналов на выходах формируются световые сигналы;

фотоэлектрические приборы, преобразующие входные световые сигналы в
электрические;

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.