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, вольтамперные 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 определяет 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 типовых преобразователей энергии и сигналов, но и быть способными быстро осваивать и эффективно использовать новые, появляющиеся на рынке, электронные устройства и системы в своей практической работе.

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. Электроника

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 лабораторных 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 вопросов и концентрации внимания на областях применения, принципах функционирования электронных приборов, 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 размещении 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 техники, связана с исследованиями законов взаимодействия электронов и других носителей заряда с электромагнитными полями с целью создания электронных, ионных и полупроводниковых приборов и устройств, с 
помощью которых осуществляется формирование, передача, обработка и хранение информации, автоматизация 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 мик
роэлектроники, 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 переменного 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 последовательности 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, релейные и цифровые. Импульсные электронные устройства (ИАУ) реализуют дискретизацию исходного аналогового 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 поста
вить 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 испол
нительным 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 воздействием. 

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 которых 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 последовательной 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. Последовательно-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 управляемый элемент, который мог бы изменять, например, свое электрическое сопротивление в зависимости 
от входного управляющего воздействия. Причем мощность в выходных цепях этих элементов должна значительно превышать мощность управляющего сигнала. 

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

Полупроводник с 4-валентной кристаллической структурой представляет собой материал, заряд ядра каждого 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 полупроводникам 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 4валентном кристалле полупроводника свободные носители заряда возникают только в результате разрыва 
ковалентных связей и определяют его электропроводность (называемую собственной проводимостью полупроводника), которая обычно невелика.

Если в чистый 4-валентный полупроводник, например, в германий или кремний, добавить некоторое количество примеси, валентность которой выше валентности исходного материала, например, 5-валентный мышьяк (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. Полупроводник 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 электрона место (называемое дыркой) (см. рис. 1.4а, справа). Эта дырка способна перемещаться по полупроводнику 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-проводимость. 

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

положительных носителей заряда, способных по нему перемещаться. Полупроводник становится электропроводным. 

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 несколько 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 концентраций носителей заряда в обоих слоях р-п-перехода, соответственно, к увеличению его ширины и сопротивления.

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 область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными 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 концентрация свободных электронов в n-области, т.е. Na >> Nд, где Na и Nд – концентрации акцепторов и доноров 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 следующими причинами: 

• напряжение на диоде равно сумме напряжений на собственных сопротивлениях р- и п-областей полупроводника, 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, определяется падением напряжения на собственном сопротивлении полупроводника. В результате ВАХ диода становится практически линейной,