电子学

电子学（英语：Electronics）是一门以应用为主要目的的学科，它主要研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理特征。电子学是物理学的一个分支，并涉及化学、数学、材料等其它学科门类。研究内容包括电子的运动规律、电子器械制造以及电磁波在不同介质中的物理效应等。

电子学的诞生可追溯至19世纪80年代爱迪生效应的发现和关于电磁波存在的验证实验。1879年，爱迪生（T·Edison）发明了白炽灯，随后其致力于研究延长碳丝白炽灯的寿命。1883年，爱迪生意外地发现在灯丝与加有正电压的电极间有电流流过，电极为负时则无电流，这就是爱迪生效应。这一发现促成了后来电子管的发明。

爱迪生

1887年，德国H.R.赫兹通过火花隙激励一个环状天线，用另一个带缝隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言。这一重要实验促成了后来无线电报的发明。

电子管

爱迪生虽然发现了热电子发射现象（即爱迪生效应），但他并未弄清其产生机制。1897年，英国J.J.汤姆逊揭示出形成爱迪生效应的荷电粒子是电子，爱迪生效应乃是一种热电子发射现象。1904年，英国J.A.弗莱明（J.Fleming）首次把爱迪生效应付诸实用，在真空中加热的灯丝前加了一块板极，发明了二极电子管。二极电子管的发明为无线电报接收提供了一种灵敏可靠的检波器。

J.A.弗莱明

伴随着电子管技术的发展，无线电通讯技术也获得了进步，1906年，美国费森登（R.Fessenden）首次实现调制无线电波收发音乐和演讲，发展了元线电广播技术。同年，美国发明家德·福雷斯特（De Forest）发明了真空三极管，它集检波、放大和振荡三种功能于一体。三极管的发明为当时蓬勃发展的无线电报通信事业提供了一种极其有用的器件。1916年和1921年先后实现了无线电话和短波通讯。1928年，茨沃雷金发明了第1代摄像管，这也成为现代电视的基础。1933年实现了微波通讯。在20世纪30年代，雷达和无线电通讯技术，在第二次世界大战中发挥了重大作用。20世纪40年代，电子管的出现、电子学和自动控制理论的形成孕育了第一台电子计算机的诞生。1943年，正当第二次世界大战激烈进行时，美国陆军火炮公司为了精确测得炮弹的弹道轨迹，委托宾夕法尼亚大学穆尔电工学院制造高速计算机。在电气工程师埃克特（J.Prespen.Eckert）和物理学家莫克利（John.W.Mauchly）领导下，1945年12月研制成功，于次年2月交付使用，命名为“NIAC”（音译：埃尼阿克，是Electronic Numenical Intergrator And Calculator 的缩写），意为“电子数值积分器和计算机”。在三极电子管之后，四极电子管、五极电子管、更多极的电子管和复合管相继出现，形成了收信管、发射管、低频管、高频管、微波管和超小型管等系列。电子管是电子器件的第一代，在晶体管发明以前的近半个世纪里，电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。

由于电子管在体积、功耗、寿命等方面具有一定的局限性，1948年，贝尔实验室J.巴丁（J.Bardeen）、W.H.布拉顿（W.Brattain）和W.B.肖克莱（W.Shockle）三人共同研制出了晶体三极管。初期的晶体管是点触式的，制造比较困难，稳定性较差。1957年，同为贝尔实验室的D.斯帕克斯发明了面结型晶体管，该晶体管克服了点触式晶体管的缺点。后来，由于材料工艺方面取得的进展，W.B.肖克莱早期设想的场效应晶体管也得以实现。

贝尔实验室，巴丁（左）、肖克莱（中）、布拉顿（右）

晶体管以其体积小、重量轻、耗电低、寿命长、工作可靠等优点，大大加快了电子技术的发展。电子学在以后取得的许多成就比如集成电路、微处理器和微型计算机等，都是从晶体管发展来的。

集体管

20世纪60年代，随着电子技术的不断发展，电子设备中的电子器件也愈加增多，为了确保设备的可靠性，减少其重量和缩小其体积，于是诞生了集成电路。

集成电路

1958年，美国德州仪器公司宣布了一种集成振荡器的问世，首次把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路。1961年，美国仙童公司宣布制成了一种集成的触发器。1962年，制造出了包含12个晶体管的小规模集成电路（Small-Scale Integration，SSI）。由于集成电路的小型化，通讯设备也开始向小型化发展，1963年，美国成功发射了“Syncom2”同步通讯卫星，首次实现与地球定点同步。1964年成立国际通讯卫星组织，该组织从1965年发射第一颗“国际通讯卫星一1”以后，卫星通讯开始进入了商业化阶段。随着集成电路的集成度越来越高，不同规模的集成电路被发明出来，1966年，100～1000个晶体管的中规模集成电路诞生（Medium-Scale Integration，MSI）。1967-1973年，集成度为1000～10万个晶体管的大规模集成电路（Large-Scale Integration，LSI）被研发成功。1977年，研制出在30mm的硅晶片上集成15万个晶体管的超大规模集成电路（Very Large-Scale Integration，VLSI），自此电子学正式进入微电子时代。1993年，电子学进入特大规模集成电路（Ultra Large-Scale Integration，ULSI）时代，研制出集成了1000万个晶体管的16MB FLASH（闪存）和256MB DRAM（动态随机存储器）。1994年，由于集成了1亿个器件的1GB DRAM研制成功，标志着进入据大规模集成电路（Giga Scale Integration，GSI）时代。与此同时，模拟集成电路也获得了发展。设计师和生产商在一小片导体硅片上集成了许许多多晶体管电路，硅片由塑料外壳封装，外部的金属引脚连接到芯片内部硅片上的细小引线上。集成电路的发明开创了集电子器件与某些电子元件于一体的新局面，使得传统的电子器件概念发生了变化。这种新型的封装好的器件体积和功耗都很小，具有独立的电路功能。

进入21世纪后，微电子技术促进了信息技术产业的迅速发展，特别是与其它技术相结合，应用于光纤通信、光电显示以及激光器等领域。同时随着量子和纳米技术的发展，电子学在量子始与量子场、量子信息学和量子计算机等方面的研究越发深入。人们利用电子自旋特性、电子簇团的“准粒子”量子特性，开辟了电子学新的领域，在自旋电子学中，发现了巨磁致电阻效应，使磁存储技术在计算机存储设备中得到了应用；在聚合物电子学中，发现了导电聚合物，开辟了聚合物电子学研究的新领域，使聚合物发光器件、光伏太阳电池、大面积柔性聚合物显示器件和聚合物激光器等研究领域有重大进展。

电子学研究范围十分广泛，只要涉及电子的相关内容几乎都在电子学的技术领域内，包括电子的发射、行为和效应，发明和应用电子器件等；其具体的基本内容可以分电子运动规律、电子器械制造以及电磁波的研究等。

电子是自然界中存在的最小电荷，即电荷的基本量，其在不同的空间或不同条件下放电以及运动的规律均不同。例如在真空中，利用电场给电子加速，可以通过另外一个电场使已经加速了的电子束偏转方向，可以给运动着的电子加上一个磁场迫使电子沿周轨道运动，在某些固体中同样存在可以比较自由运动的电子。电子学便是研究真空、固体以及气体等离子体中电子运动的规律和外部作用对电子运动及自由运动电子数量的影响。此外电子在不同的物体间的运动还会携带能量和转换能量，电能进而可以转换为光能、热能、机械能或化学能等，在此过程中，电子学还会通过研究各种外部因素的作用对运动着的电子具有什么影响以及利用这些现象能够达到什么效果。一切电子器件的作用就是控制电子的运动和电子的数量，因此对于电子运动的研究有助于对电子器件的性能的提升以及新电子器件的开发。

由于历史上电子器件的进步都促进了电子学的发展，因此现代电子学的研究内容中电子器械也是重要的内容，其中的重点便是半导体器件，作为半导体器件的基础——半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，常用的半导体有硅和锗等。半导体的导电能力与许多因素有关，其中温度、光及杂质等因素对半导体的导电能力有较大影响，因面半导体具有热敏特性、光敏特性和掺杂特性。这也正是电子学研究的电子运动规律研究。对于电子器械的研究可以促进电子设备变革，例如成本降低、体积减小、性能提升等。此外它还可以促进其他科学技术分支的发展，例如天文学、光学等。

因为电和磁不仅性质相似，而且还可以互相转化，因此电磁波也是现代电子学的基础，当电场和磁场向外扩散时，就像水面上的波纹，因此也叫电磁波。光的本质就是电磁波，除了可见光、无线电波、微波、红外线、紫外线、X 射线等都属于电磁波，电子学则是研究电磁波在真空、气体、液体、固体和等离子体中传播时，会发生许多物理效应，此外电子和电磁波相互作用产生的物理规律也是电子学的研究内容。由于电磁波可以在无线电通讯、广播、电视、雷达、传真以及遥测遥感中应用，因此电磁波的研究有助于这些领域更深入的发展，促进人类文明的进步。

基尔霍夫定律是电路理论中最重要的定律，是解决电路问题的基本理论依据，它揭示了特定的电路结构给电路中各个电压和电流带来的约束关系。基尔霍夫定律有两条：基尔霍夫电流定律（Kirchhoff's Current Law，简称KCL）和基尔霍夫电压定律（Kirchhoff's Voltage Law，简称KVL）。

等效电压源定律

等效电流源定律

叠加定律是分析多源线性电路的重要定理，其定律内容为在线性电路中，任意一个支路的电流（或电压）都是电路中各个电压源或电流源单独激励时在该支路中产生的电流（或电压）之总和。

电子学包含有众多的分支，按性质可划分为四大类：系统与大系统技术，基础理论与基础技术，元器件、材料与工艺，交叉专业和学科类。

系统与大系统技术类学科包括通信、广播、电视、雷达、遥感技术、导航、电子对抗、计算机等电子系统，以及综合多种系统技术的大型电子系统。它们的共同特点是用电子学方法实现具有某一种或多种社会和军事应用的功能。其中计算机是电子学中最大的一个分支学科，它是用电子学方法实现数值计算、逻辑作业、数据处理、过程控制、信号与信息处理、计算机辅助设计、专家系统等的原理、技术和系统，包括各种计算机硬件和软件等。通信是以电子学方法，实现从点到点（人与人、人与机器或机器与机器）的信息传输的原理、技术和系统。广播是将语言、音乐同活动与静止的图像、文字向公众播发，并由公众接收、录放的原理、技术和系统。

计算机

基础理论与基础技术类学科包括电子线路与网络分析、微波、天线、电波传播测量、电源、显示技术、信号处理、信息论、自动控制原理、可靠性理论等。它们的共同特点为主要研究功能性电子系统所需的各种技术手段或基础理论。其中电子线路与网络是由电子元件和电子器件组成的功能性电子单元。电子线路有线性的非线性的、模拟式、脉冲式和数字式几大类，能实现滤波、频率平衡、振荡、放大、调制变频、脉冲形成、开关、移位、记忆、计数等多种功能。微波技术是有关分米波、厘米波毫米波等的传输、辐射、测量和应用等的理论和技术。

电子线路

元件、器件、材料与工艺类包括固态电子器件与集成电路、真空电子学、电子元件、电子材料及有关生产技术等。它们主要研究电子学相关的元件、器件、材料与工艺，其为电子学的物理基础。其中，半导体与集成电路是研究半导体性能并加以利用的一门科学技术，包括半导体物理、半导体工艺、半导体分立器件和各类集成电路器件。真空电子学是研究带电粒子（电子、离子）在真空或气体中运动时与场和物质相互作用规律并加以利用的一门科学技术，包括电子物理、电子管工艺和各种类型的电子管等。电子元件是构成电子设备的基本单元，它通常分为有源元件和无源元件两类，但是，电子元件一般指无源元件。

半导体芯片

在量子、核科学以及空间科学等领域，电子学与其相互交叉，形成了许多新的分支学科，例如量子电子学、核电子学、空间电子学、生物与医学电子学、射电天文学与雷达天文学等。其中，量子电子学是利用物质内部量子系统能级间的受激辐射现象，放大或产生相干电磁波，并研究这一过程的应用学科。从某些方面说，激光技术也是量子电子学的主要内容。核电子学主要研究核科学、核技术和高能物理实验中有关核辐射和粒子探测的电子学技术，研究核爆炸和外层空间辐射对电子系统的影响，以及抗辐射加固技术等。

随着当代学科的发展，电子学与越来越多的学科产生联系，例如计算机科学与技术、光子学、分子生物学等。

计算机科学是在数学、电子学（特别是微电子学）、磁学、光学、精密机械等多门学科的基础之上设立。电子学在其中发挥了重要的作用，作为电脑中最重要核心半导体芯片就是应用了电子学的相关内容。计算机科学是研究计算机及其周围各种现象与规模的科学，主要包括理论计算机科学、计算机系统结构、软件和人工智能等。计算机技术则泛指计算机领域中所应用的技术方法和技术手段，包括计算机的系统技术、软件技术、部件技术、器件技术和组装技即理论计算机科学、计算机系统结构、计术等。计算机科学与技术包括五个分支学科，算机组织与实现、计算机软件和计算机应用。

光子学的诞生可以追溯至1906年，爱因斯坦提出了“光子"（或称“光量子"）（Photon）的概念；1917年，爱因斯坦提出了“受激发射”的概念；1958年，Schawlow等人在可见光区域提出了产生激光的理论与实验；1960年激光诞生，激光在高速摄影术中的应用，促进了高速摄影术的巨大发展，从而导致了“光子学”概念的诞生。在电子学中，部分电子线路采用了光学技术。如像光耦合器等，与光子学产生了联系，1960年，激光器的发明，使得能够利用相干光，光的使用效果就增大了，在电子学中利用光的尝试就急剧增加。进一步发展了全息照相术，把图像工学领域也包含进来，光子学与电子学这两种技术的联系越发紧密。

生物技术的发展促进了基因工程领域的发展，其不再仅局限于生物学领域，而是与电子学相结合，通过研制生物芯片等来研究生物的电学特征。其中生物芯片是利用生物高分子作为骨架，包裹与稳定具有半导体功能的特殊有机物从而制造成具有集成电路功能的电子元件。生物芯片可用于制造逻辑单元和记忆单元。利用电子计算机辅助设计蛋白质的结构，采用重组DNA技术来生产这类蛋白质，为生物芯片的制造开了新途径。生物芯片亦可应用于医学方面，未来可能的应用如植入到人脑内防治失明和耳：植入心脏，调节心脏的跳动；植入血管，调节药物的释放；植入体内，控制假肢的活动等。

电子学的数字电路电子元器件被广泛应用于移动通信系统、固定电话交换机、光纤通信系统、卫星通信等领域。从模拟通信到数字通信，从2G、3G到5G、6G，以及量子通信等，电子学的发展也提高了通信速率、抗干扰能力，也大幅提高了保密性。电子学在通讯测量领域不仅可以用于勘探地球资源，记录地球的物理特征，同时还可以用于报告虫灾、植物病灾、森林火灾等突发情况，它在飞机和轮船的通讯和导航系统中也发挥了重要作用。电子学还在军事通信领域方面有所应用，比如军事卫星、电子窃听系统以及记录全体公民个人资料的计算机中心均使用到了电子学。在军事相关的电子对抗、遥感遥测、情报处理、隐身技术、数字地图、导航与定位、新概念武器、系统综合和实战模拟等方面相关信息化设备也使用到了电子学。

导航系统

电子学的发展也促进了电子技术的进步，它提高了计算机的信息处理能力，降低了功耗，也较大提了运算速度。随着嵌入式计算机的发展，各种如便携的手持、穿戴等物联网设备的技术也获得了迅速发展。在未来的发展趋势中，光子计算机、分子计算机以及量子计算机也是电子学涉及的交叉学科所研究的重点。其中光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。制造光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管。生物计算机是以生物芯片为器件的计算机。生物芯片是由生物工程技术产生的蛋白质分子为主要原料的器件。这种芯片具有巨大的存储能力，处理速度要比当今的计算机快10万倍，而能量的消耗仅有普通计算机的十分之一。所谓量子计算机，是指处于多现实态的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。与传统的电子计算机相比，量子计算机解题速度快，存储容量大，搜索功能强和安全性较高。

量子计算机

电子学是发展自动化的关键，电子控制器可以替代繁琐的手工操纵，例如在铁路运输中，可以使用电视和电子计算机来控制货车编组场，同时还可以通过电子控制装置操控无人驾驶火车。其它例如交通信号灯的自动计时、矿车的自动开采与加工、机床的数控、发电厂控制、医院里病人医疗情况的自动监护、动植物生长的监视都是电子学在自动化领域的应用。

无人驾驶火车

由于在天文研究中需要探测各种天体在各个波段的电磁辐射，并精确测量辐射的基本性质，进而分析和研究天体的物理状态，比如温度、压强、电子密度、磁场强度、运动速度等等，这些都离不开电子学中的电子技术和信号分析技术。电子学在天文学领域也有一只单独的分支——射电天文学，它通过收集和会聚天体的电磁波，在这之中，所有望远镜主镜的指向控制系统是与电子学有关的计算机控制系统。其中的射电望远镜，它专门用于收集天体的无线电波。

射电天文望远镜