Лекции по электронике

В Ы С Ш Е Е  О Б Р А З О В А Н И Е

Московский авиационный институт 

(национальный исследовательский университет)

А.Л. МАРЧЕНКО

Л Е К Ц И И

П О Э Л Е К Т Р О Н И К Е

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва

ИНФРА-М

2023

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73

М29

ФЗ 

№ 436-

ФЗ

Издание не подлежит маркировке 

в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

А в т о р:
Марченко А.Л., кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры теоретической 
электротехники Московского авиационного института (национального исследовательского 
университета)

Марченко А.Л. 

М29

Лекции по электронике : учебное пособие / А.Л. Марченко. — Москва : 

ИНФРА-М, 2023. — 156 с. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-16-111536-7 (online)

В учебном пособии изложен материал модуля 2 «Электроника» в соответствии 

с программой дисциплины «Электротехника и электроника». Рассмотрена элементная 
база устройств полупроводниковой электроники: приведена классификация, вольтам-
перные и частотные характеристики, особенности применения электронных приборов 
в различных режимах работы. Подробно изложены принципы построения и функционирование 
типовых аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Отдельная лекция 
посвящена принципам преобразования световой энергии в электрическую и наоборот, 
устройству и функционированию оптоэлектронных приборов и оптоволоконных 
линий передачи информации. 

Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных 

стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по неэлектротехни-

ческим направлениям подготовки.

УДК 621.38(075.8)

ББК 32.85я73

ISBN 978-5-16-111536-7 (online)

 Марченко А.Л., 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

Этот электронный ресурс в виде лекций по модулю 2 «Электроника» дисциплины «Электротехника и электроника» 
предназначен для студентов вузов, обучающихся по неэлектротехнических направлениям подготовки 
бакалавров и дипломированных специалистов в области техники и технологий. 

Электроника – это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением 

и широким применением электронных приборов и устройств во многих производственных процессах и 
особенно в информационно-коммуникационных системах. Современная электроника стала одним из важнейших 
направлений научного-технического прогресса в мире.

По мнению лауреата Нобелевской премии академика Ж.И. Алферова (1930-2019): «Важно заниматься 

научными и технологическими исследованиями в области электроники, потому что именно она опреде-
ляет технологический и даже социальный прогресс. Без собственных современных технологий любые наши 
другие (те же космические) быстро перейдут во второстепенные. Сейчас у нас два пути – либо становиться 
страной третьего мира, живущей за счет ресурсов, либо развивать наукоемкие отрасли».

Успешная подготовка компетентных, приспособленных к рынку труда бакалавров и инженеров вы-

звана необходимостью изучения комплекса процессов, происходящих в электронных и оптоэлектронных
приборах и устройствах не только с целью разработки новых интегральных микросхем или построения ти-
повых преобразователей энергии и сигналов, но и быть способными быстро осваивать и эффективно ис-
пользовать новые, появляющиеся на рынке, электронные устройства и системы в своей практической ра-
боте.

Во многих примерных учебных планах подготовки специалистов в области техники и технологий тру-

доемкость дисциплины «Электротехника и электроника» колебнется от 216 до 288 часов при их разбивке 
для изучения в двух семестрах на два модуля: модуль 1 «Электротехника» и модуль 2 «Электроника» (табл. 
П1).

Таблица П1. Распределение трудоёмкости дисциплины «Электротехника и

электроника» по модулям и видам учебной работы (ч)

Вид учебной работы
Всего

Модули

1. Электро-

техника

2. Элек-
троника

Общий объём аудиторных занятий (АЗ) (всего),

в том числе:

144
72
72

Лекции (ЛК)
48
24
24

Доля лекционных часов от АЗ по дисциплине, %
33%
33%
33%

Лабораторные работы (ЛР)
48
24
24

Практические занятия (ПЗ)
32
16
16

Контроль самостоятельной работы (тестирование, 
коллоквиум, контрольные работы) (КСР)
16
8
8

Доля интерактивных форм обучения от АЗ по 
дисциплине, %

25%
25%
25%

Общий объём самостоятельной работы (СР),

в том числе:

144
72
72

Курсовые работы (КР)    
48
24
24

Подготовка к сессиям тестирования
8
4
4

Оформление отчётов и подготовка к защите лабора-
торных работ   

16
8
8

Вид промежуточной аттестации (экзамены): 2
72
36
36

За последние годы отечественная литература по дисциплине «Электротехника и электроника» попол-

нилась обширными учебниками, например, [1]−[3], [5], [6], [9]. Однако вынужденный перевод технических 
вузов полностью или частично на дистанционную форму обучения студентов в связи с вирусной пандемией 
вызвал необходимость отправки по е-mail текстов лекций студентам или записи и ведения их с помощью 
программных сред типа Zoom, Moodle, Webinar и др. 

При составлении лекций по электронике были использованы материалы второго тома двухтомного 

учебника для вузов «Марченко А.Л., Опадчий Ю.Ф. Электротехника и электроника. Т. 2. Электроника. − М.: 
ИНФРА-М. 2022. − 391 с.» [6], [7].  

Небольшой объем лекций достигнут не изъятием каких-либо глав тома 2 «Электроника» и не предна-

меренным упрощением материала, а исключительно путем отказа от рассмотрения многих частных вопро-
сов и концентрации внимания на областях применения, принципах функционирования электронных при-
боров, на методах анализа и синтеза схем аналоговых и цифровых устройств.

Представляется, что такое изложение учебного материала модуля 2 «Электроника» принесет опреде-

ленную пользу студентам в его изучении и подготовит их как к самостоятельному выполнению курсовой [8] 
и лабораторных работ [4] по электронике, так и к освоению последующих профессиональных курсов.

Автор выражает благодарность издательству НИЦ ИНФРА-М за конструктивное сотрудничество в размеще-
нии данного электронного ресурса в ЭБС znanium.com.

Лекция 1

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Приведена классификация электронных устройств и типовые схемы преобразователей энергии и сигналов. 
Рассмотрены полупроводниковые диоды и биполярные транзисторы. 

Дидактические единицы:

1.1. Структура электронных устройств.
1.2. Типовые схемы преобразователей сигналов.
1.3. Полупроводниковые диоды и их разновидности.
1.4. Биполярные транзисторы и их характеристики.

1.1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ЭНЕРГИИ И СИГНАЛОВ

1.1.1. Структурная схема электронных устройств

Электроника, выделившаяся в своё время из электротехники как самостоятельная отрасль науки и тех-
ники, связана с исследованиями законов взаимодействия электронов и других носителей заряда с электро-
магнитными полями с целью создания электронных, ионных и полупроводниковых приборов и устройств, с 
помощью которых осуществляется формирование, передача, обработка и хранение информации, автома-
тизация производственных процессов. 

На основе электронных приборов разрабатываются усилители и преобразователи сигналов в системах 

связи, радио- и телепередачи, контрольно-измерительная аппаратура, источники питания, блоки, выполняющие 
логические и арифметические операции в вычислительных устройствах, средства научного эксперимента 
и т.д.
Электронное устройство может быть представлено в виде функциональной структурной схемы, состоящей 
из трех блоков (рис. 1.1). 

Первый блок (датчик), преобразует интересующую нас физическую величину 1 в некий физический процесс, 
отвечающий двум условиям: его адекватность исходному процессу и возможность полученной информации 
для дальнейшей обработки. 

Второй блок (преобразователь сигнала (энергии)) предназначен для преобразования полученного физического 
процесса к виду, пригодному для дальнейшего его использования. 
Третий блок (исполнительное устройство) преобразует полученный физический процесс в необходимую 
нам физическую величину 2.
Принципиально, физический процесс 1 может быть любой из известных процессов, например, процесс 
движения или изменения давления жидкости или газа на входах гидро- или пневмосистемы. Это может 
быть процесс изменения интенсивности свечения объекта или процесс перемещения объекта в пространстве, 
на основе которых построены соответственно оптическая и механическая системы.
Наконец, могут быть использованы процессы, происходящие в электрических цепях: это изменение тока 
или напряжения в ветвях схемы. В этом случае создают электрическую или более сложную электронную
систему.

Все перечисленные и другие физические процессы отвечают сформулированным требованиям и применяются 
при построении различных устройств. Однако на практике в настоящее время наиболее широкое распространение 
получили электронные системы.

Решающим фактором, обусловившим их широкое использование, явилась, благодаря развитию микроэлектроники, 
возможность реализации требуемых алгоритмов обработки информации, представленной 
в виде электрических сигналов, в минимальных физических объемах при обеспечении высокого быстродействия 
и надежности функционирования.

1.1.2. Классификация электронных устройств

Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов подразделяют на два 

класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывистые).

Аналоговыми (АЭУ) называют электронные устройства, предназначенные для приема, преобразования 

и передачи электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной (аналоговой) функции.

В АЭУ каждому конкретному значению физической величины на входе датчика соответствует одно-

значное, вполне определенное значение выбранного параметра электрического постоянного или перемен-
ного тока. Это может быть электрический потенциал узла (по отношению к заземленной точке, шине 
схемы), напряжение или ток в ветви электронной цепи, его частота, фаза и т.п. 

Дискретными (ДЭУ) называют электронные устройства, предназначенные для приема, преобразования и 

передачи электрических сигналов, полученных (рис. 1.2):

• только путем дискретизации по времени аналоговой функции ха (а) с шагом Δt для получения последо-
вательности ее отсчетов, произвольных по уровню (б),

• посредством только квантования по уровню аналоговой функции с шагом h для получения непре-

рывного по времени сигнала, принимающего лишь дискретные значения по уровню (в),

• путем дискретизации по времени и квантования по уровню (г) аналоговой функции для последую-

щего цифрового кодирования отсчетов и шифрования.

Примечание. Дискретизацией или квантованием называют процесс замены непрерывного сигнала 

его значениями (отсчетами) в отдельных точках (уровнях).

По типу дискретизации (квантования) сигнала ДЭУ подразделяются на три подкласса: импульсные, релей-
ные и цифровые. Импульсные электронные устройства (ИАУ) реализуют дискретизацию исходного анало-
гового сигнала ха(t) по времени и преобразуют его в последовательность импульсов х(kt), как правило, 
неизменной частоты (рис. 1.2б). Интервал времени между импульсами называют шагом Δt или периодом Т
дискретизации.

Процесс преобразования исходной аналоговой информации в последовательность импульсов, при 

которой аналоговый сигнал ха(t) преобразуется в последовательность амплитуд с одинаковым шагом Δt = 
T, носит название амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). В этой модуляции информация заложена в 
высоте амплитуд.

Кроме АИМ, на практике широкое распространение получили также широтно-импульсная (ШИМ) и 

фазоимпульсная (ФИМ) модуляции. 

Релейные электронные устройства (РЭУ) реализуют квантование исходного аналогового сигнала xа(t) 

по уровню и преобразуют его в ступенчатую функцию, высота каждой из ступенек которой пропорциональна 
некоторой наперед заданной величине h, называемой шагом квантования по уровню (рис. 1.2в). 
Изменение уровня сигнала происходит в произвольные моменты времени, определяемые только значениями 
nh и величиной функции xа(t). Поэтому в моменты формирования ступенек сигнал РЭУ точно отражает 
значение исходной функции xа(t). 

Цифровые устройства (ЦУ) реализуют квантование исходного сигнала xа(t) как по времени, так и по 

уровню (рис. 1.2г). В фиксированные моменты времени такие сигналы могут принимать только некоторое 
конечное число значений, поэтому цифровые сигналы только приближенно соответствуют исходным значениям 
xа(t). Очевидно, что чем меньше шаг дискретизации по времени t и шаг квантования по уровню h, 
т.е. чем больше дискретных значений, которые может принимать сигнал, тем точнее соответствует дискретный 
сигнал аналоговому сигналу.

В свою очередь, конечному числу дискретных значений исходной физической величины можно поставить 
в соответствие некоторое число. Процесс замены дискретных уровней сигнала последовательностью 
чисел носит название кодирование, а совокупность полученных чисел называют кодом сигнала. При этом 
процесс непосредственного преобразования и передачи сигналов можно заменить процессом преобразования 
и передачи кодов.

Устройства, занимающиеся формированием, преобразованием и передачей кодов, поставленных в 

соответствие реальным значениям физических переменных, называют цифровыми устройствами.

1.1.3. Базовые схемы электронных устройств

Сигнал, формируемый датчиком, как правило, непригоден для непосредственного управления исполнительным 
устройством и нуждается в соответствующем преобразовании. 

Это преобразование обычно сопряжено с увеличением мощности сигнала посредством организации 

управляемого отбора энергии от некоторого внешнего источника посредством некоторого управляемого
элемента, изменяющего свои физические свойства под воздействием управляющего сигнала. 

Например, в оптических системах это может быть элемент, изменяющий коэффициент преломления или 
поляризацию светового потока под действием электрического сигнала, применительно к электрическим 
цепям это может быть элемент, изменяющий свое электрическое сопротивление под внешним воздействи-
ем. 

Итак, любой преобразователь энергии или сигнала должен содержать дополнительный источник энергии и 
управляемый элемент, используя которые, синтезируют три базовые схемы преобразователей энергии или 
сигналов: последовательную (а), параллельную (б) и последовательно-параллельную (в) (рис. 1.3), на кото-
рых обозначено: Uн – напряжение нагрузки; Rу, Rб и Rн – сопротивления управляющего, балластного и 
нагрузочного резисторов; Кu.k = Uн/Uп – коэффициенты передачи по напряжению соответствующих схем 
преобразователей.

Записанные выражения около схем позволяют определить диапазоны изменения выходных напряжений
Uн в отношении к напряжению питания Uп при изменении сопротивления Rу управляемого элемента в по-
следовательной и параллельной схемах преобразователей (см. рис. 1.3а и рис. 1.3б) или сопротивлений R1у

и R2у управляемых элементов последовательно-параллельной схемы преобразователя (см. рис.1.3в).
Анализ выражений показывает, что в параллельной схеме, во-первых, изменения выходного сигнала Uн
меньше, чем в последовательной схеме, и, во-вторых, при одинаковом законе изменения управляющего 
сигнала Uу в параллельной схеме, фаза выходного напряжения Uн противоположна напряжению Uу. После-
довательно-параллельная схеме преобразователя сочетает в себе свойства двух первых схем.

Приведенные структуры являются основой для построения многих электронных преобразователей энергии 
и сигналов. В зависимости от конкретного назначения преобразователей в их схемах изменяется только тип
используемых управляемых элементов.

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

1.2.1. Полупроводники с п- и р-проводимостью

Для практической реализации рассмотренных базовых схем преобразователей сигналов необходим управ-
ляемый элемент, который мог бы изменять, например, свое электрическое сопротивление в зависимости 
от входного управляющего воздействия. Причем мощность в выходных цепях этих элементов должна зна-
чительно превышать мощность управляющего сигнала. 

В качестве основы для построения преобразователей электрических сигналов обычно выбирают полупро-
водниковые приборы, содержащие в своей структуре, например, электронно-дырочные переходы (в даль-
нейшем, p-n-переходы).

Полупроводник с 4-валентной кристаллической структурой представляет собой материал, заряд ядра каж-
дого атома которого скомпенсирован соответствующим количеством электронов, причем каждый электрон 
одновременно принадлежит двум соседним атомам, так как его орбита охватывает ядра двух соседних 
атомов и на ней находятся два электрона (рис. 1.4а). Поэтому идеальный полупроводник электрически 
нейтрален и не проводит ток. 

Полупроводник без примеси имеет собственную удельную электропроводность σпп = 102-10-8 См/м (у 

проводников σме = 104-108 См/м, у диэлектриков σд < 10-8 См/м). Согласно зонной теории к полупроводни-
кам относят вещества, ширина запрещенной энергетической зоны которых ΔW < 3 эВ (рис. 1.4б).

Так, у германия (Ge) ΔW = 0,72 эВ, у кремния (Si) ΔW = 1,11 эВ, у арсенида галлия (GаАs) ΔW = 1,41 эВ. В 4-
валентном кристалле полупроводника свободные носители заряда возникают только в результате разрыва 
ковалентных связей и определяют его электропроводность (называемую собственной проводимостью по-
лупроводника), которая обычно невелика.

Если в чистый 4-валентный полупроводник, например, в германий или кремний, добавить некоторое коли-
чество примеси, валентность которой выше валентности исходного материала, например, 5-валентный мы-
шьяк (As), то атомы примеси, встраиваясь в кристаллическую решетку, порождают лишний электрон, для 
которого нет места в структуре ковалентных связей и который способен свободно перемещаться по телу 
полупроводника (см. рис. 1.4а, слева). Сам атом мышьяка остается неподвижным и положительным. Полу-
проводник приобретает так называемую электронную или n-проводимость. 

Если валентность примеси, например, 3-валентного индия (In), меньше валентности полупроводника, 

то около атома индия, встроившегося в его кристаллическую структуру, возникает свободное от элек-
трона место (называемое дыркой) (см. рис. 1.4а, справа). Эта дырка способна перемещаться по полупро-
воднику вследствие ее замещения, например, электроном соседнего атома, около которого образуется 
новая дырка и т.д. В этом случае полупроводник приобретает так называемую дырочную или p-проводи-
мость. 

Таким образом, введение примеси создает в полупроводнике некоторый избыток отрицательных или 

положительных носителей заряда, способных по нему перемещаться. Полупроводник становится электро-
проводным. 

При добавках трёхвалентной примеси (акцепторов типа In) получают полупроводник p-типа, а при до-

бавках пятивалентной примеси (доноров типа As) – полупроводник n-типа. 

1.2.2. Формирование p-n-перехода

При сплавлении двух полупроводников различных типов, вследствие диффузии электронов из n-области в 
р-область и одновременно дырок из p-области в 
n-область, и взаимной рекомбинации электронов со 

свободными дырками в р-об-ласти и дырок со свободными электронами в n-области, по обе стороны от
границы раздела создаётся область объемного заряда, называемая запирающий (барьерный) слой в не-
сколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью Ез электрического поля, которая 
препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда (рис. 1.5а). 

Потенциальная энергия электрического поля 

где Uк– контактная разность потенциалов; qe = -1,602·10-19 Кл – заряд электрона. 

Рассмотрим процессы в p-n-переходе в элементе с р- и п-областями полупроводника при подключении 
элемента к внешнему источнику энергии Е. Если к элементу приложить обратное напряжение (рис. 1.5б), 
то создаваемая им напряженность E электрического поля повышает потенциальный барьер p-n-перехода и 
препятствует переходу электронов из n-слоя в p-область и дырок из p-слоя в n-область.

При этом поток неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из p-области), их экстракция, 

образует обратный ток I0, обусловленный собственной генерацией носителей заряда под воздействием 
температуры. Отметим, что приложение обратного напряжения к элементу приводит к снижению концен-
траций носителей заряда в обоих слоях р-п-перехода, соответственно, к увеличению его ширины и сопро-
тивления.

Если включить источник Е к элементу, как это показано на рис. 1.5в, то создаваемая им напряженность 

электрического поля будет противоположной направлению напряженности Ез объемного заряда, и в об-
ласть раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися не-
основными для n-области носителями заряда), которые образуют прямой ток Iпр. 

При напряжении 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет и ток Iпропределяется только сопротивлением р-

и п-областей полупроводника. Встречной инжекцией электронов в р-область можно пренебречь, так как 
концентрация основных носителей заряда (дырок), как правило, значительно больше в p-области, чем кон-
центрация свободных электронов в n-области, т.е. Na >> Nд, где Na и Nд – концентрации акцепторов и доно-
ров в p- и n-областях. 

Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером, а вторую, 

с меньшей концентрацией – базой. 

Анализ процессов, происходящих в p-n-переходе при его подключении к источнику постоянного 

напряжения показал, что он обладает односторонней проводимостью.

1.2.3. Диод и его свойства

Диод (VD) – полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, имеющий два вывода: вывод А (анод) от 
р-области и вывод К (катод) от п-области. 

Функционирование диода в электрической цепи определяется его вольтамперной характеристикой 

(ВАХ) I(U), т.е. зависимостью тока I, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к 
нему напряжения U (рис. 1.6а). ВАХ идеального полупроводникового диода имеет вид, показанный на рис. 
1.6б. Отличие ВАХ реального диода (а) от идеальной характеристики (б) (см. рис. 1.6) обусловлено следую-
щими причинами: 

• напряжение на диоде равно сумме напряжений на собственных сопротивлениях р- и п-областей полу-
проводника, на контактах выводов с ними и на р-п-переходе. С увеличением прямого тока Iпр напряжение 
на р-п-переходе уменьшается практически до нуля, поэтому напряжение на диоде, в основном, определя-
ется падением напряжения на собственном сопротивлении полупроводника. В результате ВАХ диода ста-
новится практически линейной,