電子學
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電子學（英語：electronics）是物理學的一門分支學科。該學科研究課題包括電子、電子裝置、電子電路等，利用包括「主動元件」（例如真空管、二極體、三極管、集成電路）和與之相關的「無源元件」等電子元件，來構成電路的互連技術。
主動元件的非線性特性和控制電子流動的能力，能夠放大微弱訊號，使得電子學廣泛應用於資訊處理、通訊和訊號處理。電子元件的開關特性，使處理數碼訊號成為可能。電路板和電子封裝等互連技術和其他各種形式的通訊基礎元件，完善了電路功能並使連接在一起的元件成為一個正常工作的系統。
電子學有別於電機（electrical）和機電（electro-mechanical）科學與技術。電氣和電機科學與技術是關於電能的產生、分佈、開關、儲存和轉換，通過電線、電動機、發電機、電池、開關、中繼器、變壓器、電阻和其他無源元件從其他形式的能量轉換為電能的學科。
1897年，約瑟夫·湯姆森發現電子的存在，這是電子學的起源。早期的電子學使用真空管來控制電子的流動，但其存在成本高及體積大等缺點[1]。現如今，大多數電子裝置都使用半導體元件來控制電子。真空管至今仍有一些特殊應用，例如高功率射頻放大器、陰極射線管、專業音頻裝置和多腔磁控管等微波裝置。
半導體元件的研究和相關技術是固體物理學的一個分支，但是設計和搭建電子電路來解決實際問題卻是電子工程的範圍。本文專注於電子學的工程方面。
歷史
[編輯]真空管及三極管時期
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電子學和其他學科的區別開始於1906年，以真空管三極管的發明為標誌。三極管通過非機械裝置，可以放大弱無線電訊號和音頻訊號。真空管是最早的電子元件之一。它在1980年代中期以前佔主導地位[2]。
真空管的原理是愛迪生在1883年發現的愛迪生效應，愛迪生當時為了避免燈泡中的碳絲黑化，在燈泡中加入一片金屬薄片，當金屬薄片帶正電時，愛迪生發現在燈絲和金屬薄片之間出現電流，其原因是因為燈絲中的電子因受熱而脫離原子（熱發射）受金屬薄片的正電吸引而穿過燈絲和金屬薄片之間的空間。
三極管是李·德富雷斯特在1906年發明的[3]，其原理類似真空管，但在陰極和金屬板之間加上了控制用的網格，其目的是要控制陰極上的電子及金屬板上的電流。第一個聲音擴大器就是應用到此項技術，早期的收音機及電視也是用類似技術。李·德富雷斯特被譽為是電子學之父，因為發明三極管之前，人們只能將交流電轉換為直流電，但在發明三極管後，就可以放大像是聲音、無線電、電視等各式各様的訊號，因此帶來這些產品大幅的興起，在1930年代發明了「電子學」一詞，來表示這些新興的技術裝置。
隨着時代的演進，真空管也逐漸的進步，像是四極管、五極管等元件也出現了，也有一些可以配合高功率應用的真空管裝置。同時真空管的體積也在縮小。到1950年，這一領域被稱為「無線電技術」，因為它的主要應用是無線電的傳送、接收和真空管的設計與原理。
電晶體及集成電路時期
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電晶體是1948年約翰·巴丁和沃爾特·布喇頓在貝爾電話公司實驗研究所發明的[4]， 雙極性電晶體也在一年後發明，現在的電子裝置多半是利用雙極性電晶體（或是以此為基礎的集成電路）元件製成。相較於真空管，電晶體有體積較小，較堅固，能量密度高，需要的電壓較低等優點。電晶體不需在真空中運作，是用固態的半導體製成，因此不需要數百伏的電壓才能工作，因此電晶體取代了真空管的應用。
電晶體有三個端子（基極、集極及射極），類似一個真空三極管，基極類似三極管中的控制網，射極類似陰極，集極類似金屬板。經過適當安排三極的極性，可以用微小的基極電流去控制較大的集極電流。
在1958年出現了第一個集成電路，將6個電晶體放在同一個封裝內。1960年代末期仙童半導體推出了μA709，是第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器。1970年英特爾(Intel)開發了第一個微處理器4004。電子學的發展相當快，後來已區分為幾個不同的領域，其中最主要的分界是模擬電路及數碼電路。集成電路在民生的廣泛應用，間接加速了電腦的演進[5]，使得人類的科技發展一日千里。電子學在20世紀的發展堪稱第二次的石器革命。電子學也成為工程領域中最有發展潛力的領域之一。
電子裝置及零件
[編輯]電子零件是指一電子系統中使用的零件，而此零件可以依電子系統所要的方式，影響電子或其相關電場或磁場。電子零件一般會設計的可以互相連接，多半是用軟釺焊的方式固定在印刷電路板(PCB)上，最後形成一特定功能的電路（例如放大器、無線電接收機、振盪器）。電子零件可以是分立型的零件，有其個別的封裝，也有像集成電路一様較複雜的零件。常見的電子零件包括電容器、電感器、電阻器、二極體、電晶體等。電子零件一般會分類為主動元件（像電晶體或晶閘管）及被動元件（像電容器、電阻器及電感元件）等[6]。
各種電子元件中的電子輸運機制是其研發和製造的關鍵。各種元件尺度下，電子輸運可以是 擴散輸運、彈道輸運和 量子躍遷或其複雜組合。根據達尼爾∙羅德於貝爾實驗室提出的羅德理論[7][8]與唐爽和崔瑟豪斯夫人於麻省理工學院提出的唐-崔瑟豪斯理論 [9][10][11][12][13]，微電子元件尺度下的電子輸運機制依然能由單個電子攜帶的熵變最大值推知，而此最大值可以通過熱功率測得。
電路種類
[編輯]電路大致可以分為模擬電路及數碼電路二類。前者的電壓電流訊號都是涉及連續函數形式的模擬訊號，而數碼電路的訊號是離散式的數碼訊號多半是以0和1來表示[14]。不過也有許多電路同時包括模擬電路及數碼電路。
模擬電路
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模擬電路中的電壓或電流是連續函數形式的模擬訊號。可以分為線性電路和非線性電路。
模擬電路中，像電阻器、電容器、電感元件及變壓器的電流和電壓訊號呈線性的關係，這類的元件稱為線性元件，只由線性元件組成的電路為線性電路。線性電路在分析上比較容易。
電流和電壓訊號不呈線性的元件稱為非線性元件，像混頻器、調變器、真空管、電晶體放大器、運算放大器及振盪器等，若電路有非線性元件，在分析上比較困難，若電壓、電流是在一定數值（稱為工作點）附近，可以用小訊號模型的方式，將非線性元件用線性元件來模擬，以簡化分析和計算。
模擬電路的元件也可以分為主動元件及被動元件，主動元件屬於非線性元件，像電晶體、真空管及運算放大器等。許多模擬電路的特性都是靠主動元件的特性的產生。
現在的裝置中很少有純模擬的電路，許多模擬電路會配合數碼甚至是微處理器的技術以提升其效能。這類電路也可以歸類為「混合訊號」的電路。
有些電路很難區分是模擬電路或數碼電路，像比較器的輸入是模擬訊號，但其輸出只有二種準位，為數碼訊號。
數碼電路
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數碼電路中的電壓會有幾個不同的電壓準位，數碼電路常用來實現布林代數，也是所有數碼電腦的基礎。對工程師而言，在討論數碼電路時，「數碼電路」、「數碼系統」或「邏輯」往往是可互相替代。
大部份的數碼電路都是二進制的系統，有二個可以用0和1表示的電壓準位，一般0是較低的電壓，可以用L表示，1是較高的電壓，可以用H表示，不過也有定義相反的（0用H表示）、增加一個高阻態（三態邏輯）、或是以電流大小為準的系統。也有系統使用三進制，如三進制計算機，但還沒有實際的產品應用。
電腦、電子石英鐘、用在工業控制的可程式化邏輯控制器及數碼訊號處理器都是用數碼電路所組合而成。
數碼電路中常見的模組包括：
以下是一些高度整合的模組：
- 微處理器
- 微控制器
- 特殊應用集成電路（ASIC）
- 數碼訊號處理器（DSP）
- 現場可程式邏輯門陣列（FPGA）
散熱和熱管理
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電路在運作時會發熱，需利用裝置進行散熱，否則會降低可靠度，甚至造成電路的損壞[15]。散熱技術是利用熱傳導、對流、熱輻射的方式散熱，散熱技術中最常見的是用散熱片及風扇，利用空氣來冷卻[16]，有些裝置的發熱量大，需要用水冷方式散熱。
雜訊
[編輯]雜訊定義為是在有用訊號上的不想要的干擾，可能影響訊號內容的傳送[17]。雜訊和電路造成的訊號扭曲不完全相同。任何電路都會造成雜訊，雜訊可能是因為電場或磁場而產生，也可能是因為熱而產生（熱雜訊）。這些雜訊可能可以透過調整電路位置或環境（如降低溫度）來改善。而像是散粒雜訊之類的雜訊，是因為物理性質的限制而所產生，這類的雜訊不易透過調整電路或環境來改善。
電子學理論
[編輯]在電子學的研究中，數學方法是不可少的。若要熟悉電子學，也就需要熟悉和電路分析有關的數學，以及電磁學的理論。
電路分析是將電路轉換為許多未知數組成的系統，電路中的物理量（如某節點的電壓或某路徑的電流）變成系統中的未知數，再研究如何求解系統。系統可能是線性的，也可能是非線性的。SPICE電路仿真器是電路分析常用的分析工具。
電子學實驗
[編輯]在電子學的學習過程中，實驗是很重要的一環。實驗可以證明和核實許多相關定理及定律，例如歐姆定律、克希荷夫電路定律等。以往電子學的實驗需要實際的電子裝置及零件，但近年來已經有許多電子電路模擬的軟件可以取代實際的實驗，這類的軟件包括了CircuitLogix、Multisim和PSpice等。
電腦輔助設計（CAD）
[編輯]現代的電子工程師可以使用預先定義好的模組來進行電路設計，這些模組包括電源、半導體元件（如電晶體）及集成電路等。電子設計自動化軟件包括電路圖製作軟件及印刷電路板設計軟件。常見的電子設計自動化軟件包括NI Multisim、Cadence（OrCAD）、Pads、Altium designer（Protel）等。
零件連接方法
[編輯]隨着時代的不同，連接電子零件的技術也隨之改變。對等式連接零件是最早期使用的連接方式。後來也有使用「積木型連接」（Cordwood construction）及繞線板來連接零件。現代的電路多半會使用印刷電路板，材質可能是FR-4或是較便宜但較不耐磨的合成樹脂紙FR-2[18]。
近年來開始重視電子零件對人體健康及環境的影響，尤其是銷售到歐盟的電子產品更是如此。歐盟的危害性物質限制指令（RoHS）是限制電子產品的材料及工藝標準，已於2006年7月生效[19]，像傳統焊錫中含有的鉛就是危害性物質限制指令禁用的物質。廢電子電機裝置指令（WEEE）則是制訂廢棄電子電機裝置收集、回收、再生的目標。WEEE的第二版在2012年8月開始實施[20]。
學科體系
[編輯]- 系統技術
- 基礎理論和基礎技術
- 元件元件與材料製程
- 交叉學科
參見
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參考資料
[編輯]- ^ 相關補充資料-資訊處理的工具和計算機的發展. Chwa.com.tw. [2014-03-22]. （原始內容存檔於2016-03-04）.
- ^ Jack Kilby. 德州儀器. [2014-03-21]. （原始內容存檔於2014-03-22）.
- ^ 电子管之父李·德富雷斯特. Tech.ifeng.com. [2014-04-09]. （原始內容存檔於2014-04-13）.
- ^ 用電晶體引爆技術革命的肖克利等人. Newsancai.com. 2013-06-11 [2014-04-09]. （原始內容存檔於2014-04-13）.
- ^ 電腦的發展簡史. 國立曾文高級農工職業學校. [2014-03-21]. （原始內容存檔於2015-03-10）.
- ^ 電子電路相關的FAQ. 清學大學資訊工程學系. [2014-03-21]. （原始內容存檔於2012-12-21）.
- ^ Rode, Daniel. Electron mobility in direct-gap polar semiconductors. Physical Review B. 1970, 2: 1012. doi:10.1103/PhysRevB.2.1012.
- ^ Rode, Daniel. Low-field electron transport. Semiconductors and Semimetals. 1975, 10: 1–89. doi:10.1016/S0080-8784(08)60331-2.
- ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. New Method to Detect the Transport Scattering Mechanisms of Graphene Carriers. 2014. arXiv:1410.4907
.
- ^ Tang, Shuang. Extracting the Energy Sensitivity of Charge Carrier Transport and Scattering. Scientific Reports. 2018, 8: 10597. doi:10.1038/s41598-018-28288-y.
- ^ Xu, Dongchao. Detecting the major charge-carrier scattering mechanism in graphene antidot lattices. Carbon. 2019, 144: 601–607. doi:10.1016/j.carbon.2018.12.080.
- ^ Tang, Shuang. Inferring the energy sensitivity and band gap of electronic transport in a network of carbon nanotubes. Scientific Reports. 2022, 12: 2060. doi:10.1038/s41598-022-06078-x.
- ^ Hao, Qing. Transport Property Studies of Structurally Modified Graphene (報告). Arlington, VA: Defense Technical Information Center. 2019 [2023-07-25]. （原始內容存檔於2023-06-30）.
- ^ 基本電學介紹. 東吳大學資訊管理系. [2014-03-21]. （原始內容存檔於2014-04-21）.
- ^ 熱影像儀應用 : 電路研發. Infinet.com.tw. [2014-03-21]. （原始內容存檔於2014-03-22）.
- ^ Alphonse J. Sistino. Essentials of Electronic Circuitry: Analysis and Design. CRC Press. 5 March 1996: 432– [2014-03-22]. ISBN 978-0-8247-9693-8. （原始內容存檔於2014-07-01）.
- ^ IEEE Dictionary of Electrical and Electronics Terms ISBN 978-0-471-42806-0
- ^ FR-4材料与FR-1及FR-2材料对比. Jiagongjueyuanban.com. 2013-08-02 [2014-03-21]. （原始內容存檔於2014-03-22）.
- ^ ROHS认证介绍. 廣洲優測認證機電技術有限公司. [2013-05-07]. （原始內容存檔於2013-08-07）.
- ^ 歐盟新版WEEE指令(2012/19/EU)正式發佈. 能邁科技股份有限公司. [2013-05-07]. （原始內容存檔於2012-09-21）.
延伸閱讀
[編輯]- The Art of Electronics ISBN 978-0-521-37095-0
- Online course on Computational Electronics （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） on Nanohub.org
