微電子學
微電子學（英語：Microelectronics）是研究在固體（主要是半導體）材料上構成的微小化電路，子系統及系統的電子學分支。微電子學作為電子學的一門分支學科，主要是研究電子或離子在固體材料中的運動規律及其應用，並利用它實現訊號處理功能的學科。微電子學是以實現電路和系統的集成為目的的。微電子學中實現的電路和系統又成為集成電路和集成系統，是微小化的；在微電子學中的空間尺寸通常是以微米（μm，1μm=m）和納米（nm，1nm=m）為單位的。
目前，微電子晶片和系統的設計很大程度上依靠電子設計自動化軟件。電子輸運機制的研究是設計該自動化設計系統的關鍵，也是微電子元件研發的關鍵。微電子系統中的電子輸運包括了擴散輸運、彈道輸運和量子躍遷。根據達尼爾∙羅德於貝爾實驗室提出的羅德理論[1][2]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 [3][4][5][6][7]，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。
概述
[編輯]微電子學是信息領域的重要基礎學科，在信息領域中，微電子學是研究並實現信息獲取、傳輸、儲存、處理和輸出的科學，是研究信息載體的科學，構成了信息科學的基石。其發展水平直接影響着整個信息技術的發展。
微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科，其中包括了半導體元件物理、集成電路製程和集成電路及系統的設計、測試等多方面的內容；涉及了固體物理學、量子力學、熱力學、統計物理學、材料科學、電子線路、訊號處理、計算機輔助設計、測試與加工、圖論、化學等多個領域。
微電子學是一門發展極為迅速的學科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學的發展方向。信息技術發展的方向是多媒體（智能化）、網絡化和個體化。要求系統獲取和儲存海量的多媒體信息、以及高速度精確可靠的處理和傳輸這些信息並及時地把有用的信息顯示出來或用於控制。所有這些只能依賴於微電子技術的支持才能成為現實。超高容量、超高速、超高頻、超低功耗是信息技術無止境的追求目標，是微電子技術迅速發展的動力。
微電子學的參透性及其，它可以與其他學科結合而誕生出一系列新的交叉學科，例如它與機械、光學的結合導致了微機電系統（MEMS）的出現，他與生物科學結合誕生了生物晶片。MEMS和生物晶片都是近年來發展起來的具有極其廣闊應用前景的新技術。
歷史
[編輯]微電子技術發展的理論基礎是19世紀末到20世紀30年代期間建立起來的現代物理學。這期間的重要發現包括1895年德國科學家倫琴發現的X射線、1896年亨利·貝克勒發現放射性、1897年英國科學家湯姆孫發現電子、1898年居里夫人發現鐳、1900年普朗克建立量子論、1905年和1915年愛因斯坦提出狹義相對論和廣義相對論等。正是這一系列的發明和發現揭示了微觀世界的基本規律，導致了海森堡、薛定諤等建立起量子力學的理論體系，為現代電子信息技術革命奠定了理論基礎。
電訊號處理工業始於由Lee Deforest在1906年發現的真空三極管。[8]真空三極管使得收音機、電視和其他消費類電子產品成為可能。它也是世界上第一台電子計算機的大腦，這台被稱為電子數碼集成器和計算器（ENIAC）的計算機於1947年在賓西法尼亞的摩爾工程學院進行了首次演示。這台電子計算機和現代的計算機大相逕庭。它佔據約1500平方英尺的面積，重30噸，工作時產生大量的熱，並需要一個小型發電站來供電，花費了1940年時的40萬美元。ENIAC的製造用了19000個真空管和數以千計的電阻及電容器。然而這個龐然大物的運行速度只有每秒5000次，存儲容量只有千位，平均穩定運行時間只有7分鐘。
真空管有一系列的缺點，如體積大，連基礎容易變松導致真空泄漏、易碎、要求相對較多的電能來運行，而且元件老化很快。ENIAC和其他基於真空管的計算機的主要缺點是由於真空管易燒毀而導致運行時間有限。這些問題成為許多實驗室尋找真空管替代品的動力，這個努力在1947年12月23日得以實現。貝爾實驗室的三位科學家——John Bardeen，Walter Brattin和William Shockley，演示了由半導體材料鍺製成的電子放大元件。這個元件不但有真空管的功能，而且為固態（無真空），且具有體積小、重量輕、耗電低並且壽命長的優點，起初命名為「傳輸電阻器」，而後很快更名為電晶體。這三位科學家也因此被授予了1956年的諾貝爾物理學獎。電晶體是20世紀最偉大的發明之一，它對人類社會的所有領域，包括生活、生產、甚至戰爭都產生了並且還正在產生着深遠的影響。同時電晶體的發明也拉開了電子時代的序幕，從1947年開始，半導體工業呈現出在新製程和製程提高上的持續發展。
參見
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參考資料
[編輯]引用
[編輯]- ^ 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
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- ^ 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）.
- ^ Antebi, E. The Electronic Epoch. New York: Van Nostrand Reinhold Co. : p. 126.
書目
[編輯]- Veendrick, H.J.M. Bits on Chips. 2011: 253. ISBN 978-1-61627-947-9. https://openlibrary.org/works/OL15759799W/Bits_on_Chips/ （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
外部連結
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- ERMETIS微電子及可再組態配置系統研究實驗室[永久失效連結] （英文）
- MIXDES：國際研討會『集成電路及系統的混合設計』 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） （英文）
- IEEE的虛擬博物館，讓我們縮小吧：微電子學的縮小世界 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） （英文）
