電子學

**電子學**（）亦叫**電子**，係研究電子特性同行為，重有電子零件嘅物理學科，涉及好多科學範疇，包括物理、化學、數學同材料科學。

1897年，約瑟夫·湯姆森發現電子嘅存在，係電子學嘅起源。早期電子學用真空管嚟控制電子流動，但成本高、體積大，從20世紀50年代半導體發現之後，半導體取代咗真空管嘅應用，後來集成電路喺民間廣泛應用，間接促進咗電腦嘅出現，令人類科技發展一日千里。電子學在20世紀的發展堪稱係第二次石器革命。

電子裝置對依家社會嘅好多方面嘅發展都撈稿大，好似電訊、娛樂、教育、醫療、工業同埋保安咁樣。電子嘢咁先進嘅主要推動力，其實係半導體產業，佢哋為咗應付全球嘅需求，不停咁整啲越嚟越勁嘅電子裝置同埋電路。半導體業係全球經濟度數一數二嘅大龍頭，又賺錢又多，喺 2018 年，一年就搵超過 4810 億美金。電子產業重包括埋其他靠電子裝置同系統搵食嘅行業，好似網購咁，喺 2017 年，網上賣嘢就賣咗超過 29 萬億美金。

## 歷史同發展

卡爾·費迪南德·布勞恩喺1874年搞掂咗晶體檢波器，係第一件半導體器件嚟㗎，跟手約瑟夫·湯姆森爵士喺1897年又confirm咗電子呢樣嘢嘅存在，加埋之後真空管嘅發明，真空管可以放大同埋整流啲細電信號，就咁樣開創咗電子學呢個範疇同埋電子時代喇。 真正開始用得著，就係安布羅斯·弗萊明發明咗二極管，同埋 李·德福雷斯特喺 1900 年頭發明三極管，咁就搞到偵測細電壓變成有可能，好似由無線電天線嚟嘅無線電信號，都搞得掂喇。

真空管（熱電子管）係頭一批active電子元件，佢哋係透過控制啲電子點樣郁嚟控制電流嘅，咁就可以整啲用到電流放大同埋整流嘅設備，帶畀我哋收音機、電視、雷達、長途電話，同埋好多其他嘢。電子嘢啱啱開始嗰陣發展得好快，去到1920年代，商業收音機廣播同埋電訊就開始周街都係，電子放大器又開始喺唔同嘅地方用，好似長途電話同埋音樂錄音行業咁。

下一個技術大躍進就隔咗幾十年先蒲頭，喺1947年，約翰·巴丁同埋沃爾特·豪澤·布拉頓喺貝爾實驗室度搞掂咗第一粒行得通嘅點接觸型電晶體。不過，真空管繼續喺微波同埋高功率傳輸，重有電視接收器嗰邊擔當大佬，直到1980年代中期先至冇咁勁。打嗰陣時開始，固態裝置就幾乎完全取代晒真空管。真空管而家重喺一啲特別用途度用，好似高功率射頻放大器、陰極射線管、專業音響器材、結他放大器同埋一啲微波裝置咁。

喺1955年4月，IBM 608係IBM 第一件用電晶體電路嘅產品，完全冇用真空管，而且應該係第一部為咗商業市場而整嘅全電晶體計算器。608入面有超過3,000粒鍺電晶體。小托馬斯·J·沃森落order話IBM以後所有嘅產品設計都要用電晶體。由嗰陣開始，電晶體就幾乎係淨係用喺電腦邏輯電路同埋周邊設備嗰度。不過，早期嘅接面電晶體都幾大舊，又唔易大規模生產，搞到佢哋淨係可以喺一啲特別嘅地方用。

金屬氧化物半導體場效電晶體喺1955年到1960年之間喺貝爾實驗室度發明出嚟嘅。 佢係第一粒真係夠細粒嘅電晶體，可以整細佢又可以大量生產，乜嘢地方都啱用。 佢嘅好處包括高擴展性， 價錢唔貴， 用電少，重有高密度。 佢真係搞掂咗成個電子產業， 變成全世界用得最勁嘅電子零件。 金屬氧化物半導體場效電晶體係而家大多數電子設備嘅基本嘢嚟㗎。

當電路越來越複雜嗰陣，啲問題就出晒嚟。 其中一個問題係電路嘅大細。好似電腦咁複雜嘅電路，速度係好緊要嘅。如果啲零件大大舊，連埋佢哋嘅線就一定要長。啲電信號行晒成個電路要時間，咁咪搞慢部電腦囉。 積體電路就係 傑克·基爾比 同埋 羅伯特·諾伊斯 發明嘅，佢哋解決咗呢個問題，方法係將所有零件同埋晶片都用同一嚿（單片）半導體材料整出嚟。啲電路可以整細啲，生產過程又可以自動化。呢個諗法就引伸到將所有零件都放晒喺同一塊單晶矽晶圓上面，咁就喺 1960 年代頭出現咗小規模集成 (SSI)，跟住喺 1960 年代尾出現咗中規模集成 (MSI)，之後就係超大規模集成。喺 2008 年，啲有幾十億粒電晶體嘅處理器就開始有得賣喇。

## 子範疇

模擬電子學

音頻電子學

航空電子學

生物電子學

電路設計

數字電子學

電子元件

嵌入式系統

積體電路

微電子學

納米電子學

光電子學

功率電子學

印刷電路板

半導體器件

感測器

電訊

## 裝置同零件

電子零件就係電子系統入面嘅任何零件，可以係 active 嘅或者 passive 嘅。啲零件通常係黐埋一齊，通常係焊喺[印刷電路板] 上面，砌成一個有特定功能嘅電子電路。啲零件可以單件咁包裝，或者幾件複雜啲嘅組合同積體電路咁包裝。Passive 電子零件包括電容器、電感器、電阻器，而 active 零件就係好似半導體器件；電晶體同埋閘流管呢啲，佢哋喺電子層面控制電流點樣流。

## 電路類型
電子電路嘅功能可以分做兩大類：模擬同埋數字。有啲裝置可能係得其中一種電路，或者兩種都有。模擬電路越嚟越少見，因為佢哋好多功能都轉晒做數字化。

### 模擬電路

模擬電路用連續範圍嘅電壓或者電流嚟處理信號，同數字電路用嘅一級級電平唔同。喺早期嘅電子嘢度，模擬電路喺成部機度都周圍都係，好似收音機接收器同埋發射器咁。喺數字處理技術未先進嗰陣，模擬電子電腦對於解決啲有連續變數嘅問題都幾掂㗎。

自從半導體技術勁咗之後，模擬電路嘅好多功能都畀數字電路搶咗，而家全模擬嘅電路就少見好多喇；佢哋嘅功能畀混合方法代替咗，例如，喺收模擬信號嘅機嘅「前端」用模擬電路，之後就用微處理器技術嚟做數字處理。

有時，有啲電路好難分類，佢哋又有啲線性運算嘅嘢，又有啲非線性運算嘅嘢。好似電壓比較器咁，佢收連續範圍嘅電壓，但係淨係輸出得兩個電平其中一個，就好似數字電路咁。又好似，推到盡嘅電晶體放大器都可以有啲似受控開關嘅特性，基本上得兩個電平嘅輸出。

模擬電路而家重係周圍都用，用嚟放大信號，好似喺娛樂行業咁，重有調理嚟自模擬感測器嘅信號，好似喺工業測量同埋控制咁。

### 數字電路

數字電路係基於一級級電壓電平嘅電路。數字電路用布爾代數，係所有數字電腦同埋微處理器嘢嘅基礎。佢哋嘅範圍好廣，由簡單嘅邏輯門到大型積體電路都有，用咗數百萬個呢啲門。

數字電路用二進制系統，用標籤做「0」同「1」嘅兩個電壓電平嚟表示邏輯狀態。通常，邏輯「0」會係低啲嘅電壓，叫做「低電平」，而邏輯「1」就叫做「高電平」。不過，有啲系統用相反嘅定義（「0」係「高電平」）或者係用電流做基礎嘅。啲搞邏輯設計嘅人成日會因應情況，喺唔同電路之間調轉呢啲定義，方便佢哋設計。將電平定義做「0」或者「1」係冇乜所謂嘅。

三進制（有三種狀態）邏輯都畀人研究過，重整咗啲原型電腦出嚟，但係都唔係咁多人用。 基本上，電腦同埋數字信號處理器都係用數字電路砌出嚟嘅，喺電子邏輯門入面用電晶體，好似 金屬氧化物半導體場效電晶體咁，嚟產生二進制狀態。

邏輯門

加法器

觸發器

計數器

寄存器

多路複用器

施密特觸發器

高度集成嘅裝置：

記憶體晶片

微處理器

微控制器

特殊應用積體電路 (ASIC)

數字信號處理器 (DSP)

現場可程式閘陣列 (FPGA)

現場可程式模擬陣列 (FPAA)

系統單晶片 (SOC)

## 設計
電子系統設計係搞掂複雜電子裝置同埋系統嘅 multi-disciplinary 設計問題，好似手機同埋電腦咁。呢個 topic 範圍好闊，由電子系統嘅設計同埋開發（新產品開發）到確保佢行得順，用得耐同埋掉棄。 所以，電子系統設計就係 define 同埋 develop 複雜電子裝置，嚟滿足用家指定嘅要求嘅過程。

因為電子理論好鬼複雜，所以喺實驗室度做實驗係開發電子裝置嘅重要部分。呢啲實驗係用嚟 test 或者 verify 工程師嘅設計，同埋搵出錯處。以前，電子實驗室係喺一個實體空間入面擺啲電子裝置同埋設備，不過近年個 trend 就係興用電子實驗室模擬軟件，好似 CircuitLogix、Multisim 同埋 PSpice 咁。

### 電腦輔助設計

而家啲電子工程師有本事用預先整好嘅 building blocks 嚟設計電路，好似電源供應器、半導體（即係半導體零件，好似電晶體咁）同埋積體電路。電子設計自動化軟件程式包括原理圖捕獲程式同埋印刷電路板設計程式。EDA 軟件界嘅出名牌子有 NI Multisim、Cadence (ORCAD)、EAGLE PCB 同埋 Schematic、Mentor (PADS PCB 同埋 LOGIC Schematic)、Altium (Protel)、LabCentre Electronics (Proteus)、gEDA、KiCad 重有好多其他軟件。

## 唔好嘅地方

### 熱管理

電子電路產生嘅熱一定要散走，唔係好易壞機，同埋會影響用得耐唔耐。散熱主要係靠 passive 嘅傳導/對流搞掂。要散熱勁啲嘅方法包括散熱片同埋風扇嚟做 air cooling，重有其他種類嘅電腦冷卻，好似水冷咁。呢啲技術用對流、傳導同埋熱能嘅輻射嚟散熱。

### 雜音

電子雜音定義做疊加喺有用信號上面嘅唔想要嘅干擾，佢哋會搞到信號嘅資訊唔清楚。雜音同電路搞到信號 distorted 唔同。所有電子電路都有雜音。雜音可能係電磁或者熱產生嘅，可以透過降低電路嘅工作溫度嚟減少雜音。其他種類嘅雜音，好似散粒雜音，就冇得搞，因為佢哋係物理特性本身嘅限制嚟嘅。

## 包裝方法

咁多年嚟，都用過好多唔同嘅方法嚟連接零件。好似，早期嘅電子嘢成日用點對點佈線，將啲零件黐喺木板上面嚟砌電路。Cordwood 結構同埋繞線都係其他用過嘅方法。而家大多數 modern 嘅電子嘢都用印刷電路板，材料包括 FR4，或者平啲嘅（但係冇咁襟用）合成樹脂粘合紙 (SRBP，又叫做 Paxoline/Paxolin（商標）同埋 FR2）——佢嘅特徵係啡色。近年嚟，同電子組裝有關嘅健康同埋環境問題越來越多人關注，尤其係啲 target market 係歐洲市場嘅產品。

電子零件通常係用以下呢啲方法裝上去嘅：

通孔安裝（有時叫做「針腳通孔」）

表面黏著

底盤安裝

機架式安裝

LGA/BGA/PGA 插槽

## 行業

電子產業係由唔同嘅 sectors 組成嘅。成個電子產業嘅大佬其實係半導體產業 sector， 最大嘅 industry sector 係電子商務，喺 2017 年就搞咗超過  嘅收入。 賣得最多嘅電子裝置係金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET)，估計喺 1960 年到 2018 年之間，已經整咗大約 13百萬兆粒 MOSFET。 喺 1960 年代，美國啲廠佬冇得同日本啲公司鬥，好似 Sony 同埋 Hitachi 咁，佢哋可以用平啲嘅價錢整到高品質嘅貨。但係去到 1980 年代，美國啲廠佬就變成半導體開發同埋組裝嘅 world leader 喇。

不過，喺 1990 年代同埋之後，呢個行業就幾乎完全搬晒去東亞（呢個 process 喺 1970 年代微晶片大量生產啱啱開始搬去嗰度嗰陣開始），因為嗰度人工平、又多人，而且啲技術又越嚟越勁，周圍都係喇。

喺過去卅年度，美國在全球半導體生產能力度佔嘅比例跌咗好多，由1990年嘅37%跌到2022年嘅12%。美國最勁嘅半導體廠Intel Corporation，喺生產技術方面都遠遠落後佢嘅subcontractor台灣積體電路製造股份有限公司 (TSMC)。

到嗰陣時，台灣就變咗全世界先進半導體嘅大佬——跟住落嚟嘅係南韓、美國、日本、新加坡同埋中國。

重要嘅半導體產業設施（通常係總部喺其他地方嘅龍頭生產商嘅子公司）喺歐洲（尤其係荷蘭）、東南亞、南美洲同埋以色列都有。

## 睇埋

電子學文章索引

電子學大綱

原子電子學

音頻工程

可生物降解電子產品

廣播工程

電腦工程

電子工程

電子工程技術

模糊電子學

應急箱

船用電子設備

光子學

機械人學

## 參考文獻

## 延伸閱讀

霍洛維茨，保羅; 希爾，溫菲爾德 (1980). *[[電子學的藝術]]*. 劍橋大學出版社. .

## 出面嘅連結

海軍 1998 年海軍電氣同電子培訓系列 (NEETS) 

美國能源部 1998 年電氣科學基礎手冊，共 4 卷。
** 第 1 卷，基本電氣理論，基本直流電理論
** 第 2 卷，直流電路、電池、發電機、電動機
** 第 3 卷，基本交流電理論，基本交流電抗元件，基本交流電功率，基本交流發電機
** 第 4 卷，交流電動機、變壓器、測試儀器同測量裝置、配電系統