1.1-1.2 Введение 2026

1. Электроника и схемотехника

Профессиональное обучение
(Автоматика и компьютерная инженерия)
4й и 5й семестры
Код курса Educa: dubeax
Сообщество ВК: vk.com/elekroradioteh
(доп. материалы)

2. Объем дисциплины на 4й семестр

• Лекции – 40 ч.
• Лабораторные работы – 58 ч.
• Промежуточный контроль (летняя сессия) –
Зачет c оценкой.

3. Требования к зачету

• Выполнение лабораторных работ (минимум 90
% работ).
• Написание и защита отчетов по лабораторным
работам (проходной балл).
• Тест по теории на оценку не ниже
удовлетворительно.
• Дополнительные баллы на лекциях (+/-1, 0).

4. Оценивание лабораторных работ (ЛР)

• Выполнение работы – 2 балла (*выполнением считается подпись
преподавателя в именном протоколе)
• Предоставленный вовремя отчет (на следующее занятие) – 1
балл (* при наличии замечаний бал выставляется только при их
исправлении в установленные сроки)
• Устная сдача отчета преподавателю в установленный срок – 0-2
балла.
• *оформление отчета по ЛР и его защита возможно только при
выполнении ЛР!
• За одну лабораторную работу можно набрать (минимально – 0,
максимально – 5 баллов)
• Баллы за все лабораторные работы суммируются.
• Минимальный балл для выставления зачета 53 (Выполнение 90%
ЛР (15 шт.), вовремя выполненный отчет, защита 8 работ на 1
балл)
• Выполнение 90% лабораторных работ обязательно!

5. Оценивание работы на лекциях

• В начале каждой лекции проверочная работа по теме
предыдущей лекции (опоздавшие работу не пишут).
• Вопросы для проверочных работ будут известны
заранее.
• За каждый правильный ответ из проверочной
начисляется по 1 баллу.
• Если итоговое количество баллов за семестр будет
менее 60 % от максимального то оценка на зачете
понижается на 1 балл (но не менее чем до
Удовлетворительно).
• Если итоговое количество баллов за семестр будет в
диапазоне от 60 % до 70 % то оценка на зачете не
изменяется.
• Если итоговое количество баллов за семестр будет
70 % и выше, то оценка на зачете повышается на 1
балл.

6.

• Электроника – область науки и
техники,
изучающая
принципы
построения и функционирования
электронных приборов и устройств.
• Схемотехника – научно-техническое
направление,
занимающееся
практической
разработкой
(схемотехнической
реализацией)
электронных устройств.

7.

• Электронные приборы – нелинейные
элементы*
электрической
цепи,
действие
которых
основано
на
управлении потоками заряженных,
частиц
в
газе,
вакууме
или
полупроводниковых структурах с
помощью электрических или магнитных
полей.
• * нелинейные элементы см. Электротехнику.

8.

• Электронные устройства – изделия,
выполняющие определенные функции
и
имеющие
в
своем
составе
электронные приборы.
• # Электронные устройства: компьютер,
электронные приборы: транзисторы, микросхемы.
• Элементная
база
электронных
устройств – совокупность элементов
различных видов и классов, входящих в
состав электронных устройств.
• # Элементная база компьютера: микросхемы, транзисторы,
резисторы, конденсаторы и т.д.

9. Раздел 1. Электронные приборы

10. Классификация электронных приборов

• 1. Электровакуумные приборы –
приборы,
использующие
потоки
свободных электронов в вакууме.
• Для
создания
значительной
концентрации свободных электронов
в
электровакуумных
приборах
используют
явление
термоэлектронной эмиссии.

11.

• Примеры электровакуумных приборов:
# электровакуумные диоды, триоды,
кенотроны, электронно-лучевые трубки,
фотоумножители.

12.

• Достоинства электровакуумных
приборов:
Простой принцип работы, высокая
температурная
стабильность,
повышенные рабочие частоты, высокая
мощность обрабатываемого сигнала,
устойчивость
к
радиационному
воздействию.

13.

• Недостатки электровакуумных
приборов:
• Плохие массо-габаритные показатели
(большие
размеры),
высокие
температуры нагрева (дополнительный
расход энергии), короткий срок службы
(требуют
периодической
замены),
хрупкость.

14.

• Области
электровакуумных
современных
устройствах:
применения
приборов
в
электронных
Мощные
радио
передатчики,
радиолокаторы,
источники
СВЧ
излучения, звукоусилительная HI-End
аппаратура,
усилители
для
электромузыкальных инструментов.

15.

• 2. Газоразрядные (ионные) приборы
– используют электрический ток в газах.
• #
газоразрядные
индикаторы,
тиратроны, плазменные панели.

16.

• Преимущества газоразрядных
приборов:
Высокая скорость переключения, малое
потребление энергии для устройств с
холодным катодом, достаточная яркость.

17.

• Недостатки газоразрядных
приборов:
Значительное изменение параметров в
процессе
эксплуатации,
большой
разброс параметров при производстве
(требуется отбраковка и тренировка
перед использованием), короткий срок
службы,
плохие
массогабаритные
показатели.

18.

• Применение газоразрядных
приборов:
Быстродействующие
электронные
ключи для устройств автоматики и
научных
целей,
импульсные
радиолокаторы, системы индикации и
отображения информации.

19.

• 3. Полупроводниковые электронные
приборы
–
используют
потоки
свободных носителей (электронов и
дырок) в кристаллической решетке
полупроводника.
• #
полупроводниковые
диоды,
транзисторы, тиристоры, интегральные
микросхемы.

20.

• Преимущества полупроводниковых
приборов:
Хорошие массо-габаритные показатели,
низкое потребление энергии, высокая
устойчивость к механическим нагрузкам,
возможность
микроминиатюризации,
широкая номенклатура, относительно
небольшой
разброс
параметров,
продолжительный срок службы.

21.

• Недостатки полупроводниковых
приборов:
Весьма чувствительны к перегреву,
параметры приборов чувствительны к
изменению температуры, подвержены
воздействию радиации.

22.

• Области
применения
полупроводниковых приборов:
Вся современная электроника.
• Таким образом, полупроводниковые
электронные
приборы
являются
основной
элементной
базой
современных электронных устройств.

23. Физические основы полупроводниковой электроники

1. Элементы зонной теории твердых тел

24.

• Зонная теория твердых тел –
квантово-механическая
теория,
позволяющая
с
единых
позиций
описывать и объяснять процессы
происходящие в твердых телах, в
частности электропроводность твердых
тел.
• В основе зонной теории лежат два
принципа: 1) дискретность энергии
электронов в атоме; 2) принцип запрета
Паули.

25.

• Согласно законам квантовой механики,
в изолированном атоме энергия
электрона может принимать строго
определенные (дискретные) значения.

26.

• Согласно Принципу запрета Паули
электроны, находящиеся в одной
квантово-механической системе, не
могут иметь одинаковые квантовые
состояния. Вследствие этого принципа
электроны в атоме распределяются
по
разным
орбиталям
(энергетическим
уровням),
а
не
находятся все на одном.

27.

• При образовании кристалла множество
одинаковых атомов объединяются в
единую
квантово-механическую
систему
в
которой
продолжает
действовать принцип запрета Паули.
• Так как одинаковые атомы имеют
электроны с одинаковыми состояниями
то вследствие действия принципа
запрета Паули верхние энергетические
уровни атома расщепляются на близко
расположенные зоны.

28.

Отдельный
атом
Кристаллическая
решетка из атомов

29. Виды зон в кристалле

• Разрешенная
зона
–
зона
с
определенным набором энергетических
состояний в которых могут находится
электроны.
• Запрещенная
зона
–
зона
с
определенным диапазоном энергии в
которой электроны находиться не
могут.

30.

• Валентная зона – разрешенная зона в
которой
находятся
валентные
электроны.
• Свободная зона – разрешенная зона с
незаполненными
энергетическими
уровнями.

31.

• Электропроводность
твердых
тел
определяется
взаимным
расположением
зон
и
их
заполненностью.
• Материал
будет
проводить
электрический ток, если электроны в
нем
могут
перемещаться
по
свободным энергетическим уровням.
• Зона
в
которой
электроны
перемещаются по свободным уровням
является зоной проводимости

32.

• Зонная структура различных твердых тел
• В
металлах,
которые
являются
проводниками, отсутствует запрещенная
зона.
• В диэлектриках эта зона широка > 3 эВ.
• Полупроводники
имеют
узкую
запрещенную зону ~ 1 эВ.

33.

• Также
существуют
материалы
с
незаполненной
валентной
зоной
(полуметаллы), которая для них будут
являться зоной проводимости.
• Такие
материалы
также
будут
проводить электрический ток.

34.

2. Зонная теория полупроводников

35.

• Полупроводники (п/п) – материалы,
обладающие узкой запрещенной зоной.
• По
проводящим
свойствам
п/п
находятся между проводниками и
диэлектриками, однако они могут в
широких пределах менять свою
проводимость
под
действием
температуры и внешнего излучения.
• В отличие от металлов проводимость
полупроводников
с
увеличением
температуры возрастает, что говорит
об особом механизме проводимости
полупроводников.

36.

• К
типичным
полупроводникам
относятся элементы Si, Ge, а также
соединения GaAs (арсенид галлия),
InSb (антимонид индия).
Рассмотрим механизмы проводимости
полупроводников с точки зрения зонной
теории.

37. Собственная проводимость полупроводников

• Собственная проводимость характерна для чистых
полупроводников
с
минимальным
содержанием
примеси.
• При температурах абсолютного нуля полупроводник не
имеет свободных носителей заряда (валентная зона
полностью заполнена) и не проводит электрический
ток, однако при комнатных температурах тепловой
энергии электронов становится достаточно, чтобы
преодолеть запрещенную зону и перейти в свободную.
• На месте ушедшего электрона образуется дырка –
разорванная ковалентная связь.
• Дырка обладает положительным зарядом и может
притягивать электроны, однако дырка не является
реальной частицей – это вакантное место, куда может
вернутся электрон.
• Дырку также называют квазичастицей.

38.

дырка
электрон
• Зонная диаграмма чистых полупроводников.

39.

• Процесс перехода электронов из
валентной зоны в зону проводимости
называется генерацией.
• Генерация может происходить как под
действием
температуры
(термогенерация), так и под действием
внешнего
излучения,
например
электромагнитного.
• При
повышении
температуры
процесс термогенерации усиливается
и
число
пар
электрон-дырка
увеличивается.
• Это
приводит
к
повышению
проводимости материала.

40.

• Наряду с процессом генерации происходит
обратный процесс – рекомбинация –
процесс возврата электронов из верхней
свободной зоны в валентную зону.
• При
определенной
температуре
устанавливается динамическое равновесие
между электронами, ушедшими из валентной
зоны, и вернувшимися в неё, таким образом
число свободных электронов и дырок с
течением времени остается постоянным
при постоянной температуре.

41.

• Таким образом, проводимость чистых
полупроводников
обусловлена
движением электронов в верхней
свободной зоне и движением дырок в
валентной зоне.
• При этом количество электронов и
дырок одинаково.

42. Примесная проводимость полупроводников

• Примесная проводимость наблюдается у
полупроводников к которым добавлены
примеси с большей или меньшей
валентностью.
• При
этом
выделяют
примесную
электронную и примесную дырочную
проводимость.

43.

• Примесная электронная проводимость –
наблюдается у полупроводников к которым
добавлены атомы с большей валентностью.
• Например полупроводник Si(IV) + примесь
As(V).
• Атомы такой примеси имеют дополнительный
валентный электрон, который не участвует в
образовании ковалентной связи и становится
свободным электроном в кристаллической
решетке, т.е. примесь отдает свой электрон.
• Такие примеси называют донорными.

44.

• С
точки
зрения
зонной
теории
электроны примеси не участвующие в
образовании
ковалентных
связей
находятся в запрещенной зоне на
уровнях близких к свободной зоне.
• Электроны примеси с этих
уровней легко переходят в
зону проводимости, на
месте ушедших электронов
остаются положительные
ионы примеси, которые не
участвуют в переносе
заряда, но играют важную
роль
в
работе
полупроводниковых
приборов.

45.

• Наряду с указанными выше процессами в
примесных полупроводниках также происходят
процессы генерации и рекомбинации в
результате
которых
появляются
пары
электрон-дырка
(собственная
проводимость).
• Таким образом в примесных полупроводниках
с электронной проводимостью электроны
преобладают над дырками и проводимость
самих
полупроводников
обусловлена
преимущественно электронами.
• Электроны в полупроводниках с донорными
примесями
являются
основными
носителями, а дырки неосновными.
• Полупроводники с электронным типом
проводимости
называются
полупроводниками n – типа.

46.

• Примесная дырочная проводимость наблюдается у полупроводников к которым
добавлены
примеси
с
меньшей
валентностью.
• Например полупроводник Si(IV) + примесь
In(III).
• Атомам такой примеси не хватает электрона
для образования полной ковалентной связи с
атомами кремния.
• Этот необходимый электрон атом примеси
«захватывает» у одного из соседних атомов
кремния, где на месте ушедшего электрона
образуется дырка.
• Примеси, захватывающие электрон у
соседних
атомов
называются
акцепторными.

47.

С точки зрения зонной теории атомы акцепторных
примесей имеют свободные уровни, расположенные
в нижней части запрещенной зоны. На эти уровни
переходят электроны из валентной зоны. При этом в
валентной зоне остаются дырки, а атомы примеси,
принявшие
электрон,
становятся отрицательно
заряженными ионами.
Эти ионы также не
участвуют в переносе
заряда.
Термогенерация
также
приводит к появлению пар
электрон-дырка и число
дырок
становится
больше
числа
электронов.

48.

• Таким
образом
в
примесных
полупроводниках
с
дырочной
проводимостью дырки преобладают над
электронами
и
проводимость
самих
полупроводников
обусловлена
преимущественно дырками.
• Дырки в полупроводниках с акцепторными
примесями
являются
основными
носителями, а электроны неосновными.
• Полупроводники
с
дырочным
типом
проводимости
называются
полупроводниками p – типа.

49. Дополнительная литература по теме

• Шахмаев
Н.М.,
Шахмаев
С.Н.,
Шодиев. Физика, 10 класс, 1992 г. Тема
полупроводники.
• Лозовский В.Н., Константинова Г.С.,
Лозовский
С.В.
Нанотехнология
в
электронике. Введение в специальность.
2008 г.

50.

Контрольные вопросы
1. Дайте определение электровакуумным электронным приборам,
приведите примеры приборов.
2. Дайте определение ионным электронным приборам, приведите
примеры приборов.
3. Дайте определение полупроводниковым электронным
приборам, приведите примеры приборов.
4. Чем обусловлена проводимость чистых полупроводников?
5. Почему при повышении температуры проводимость чистых
полупроводников увеличивается?
6. Чем обусловлена проводимость полупроводников n-типа?
7. Чем обусловлена проводимость полупроводников p-типа?
8. В полупроводниках какого типа образуются отрицательно
заряженные ионы примеси?
9. В полупроводниках какого типа образуются положительно
заряженные ионы примеси?
10.Что представляет собой процесс генерации свободных носителей
заряда в полупроводниках с точки зрения зонной теории?
11.Что
представляет
собой
процесс
рекомбинации
в
полупроводниках с точки зрения зонной теории?