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当我们学习电子学的时候我们究竟在学些什么

当我们学习电子学的时候我们究竟在学些什么

作者: 六十从心 | 来源:发表于2020-06-17 05:51 被阅读0次


    每年新生入学,都会纠结于电子技术是干什么的、电子系与计算机系的区别等等。谈到电子系,很多人认为和计算机系差不多,都是搞计算机的。也有人认为就是研究设计电子管的。特别是学校大类招生以后,电子系、微电子系、计算机系的学生经常一起上课,所以大家更容易产生以上误解。

    电子学大厦

    其实电子学涉及的层面很广。在整个IT行业,计算机、电子和微电子的关系十分紧密,相互间有很多交叉领域。上图给出了电子学领域的框架结构,说明电子学与下述领域相关。

    首先是物理。电子学的基础是对电子做出物理学的描述。作为微观粒子,电子需要采用量子力学描述。量子力学是物理专业大学生最核心的一门课,研究生考试最常考的一门课。量子力学能带理论的突破,使人们的认识有了飞跃。原来世界上的许多事情都是电子惹的祸。材料与材料的不同不在于结构,而在于其电子的能级分布。能带论使人们明白材料为什么有导体、绝缘体和半导体之分。在此基础上发明了晶体管,因而世界进入新时代。隧道效应是量子力学揭示的最为神奇的微观效应之一。所谓隧道效应是指能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒。这是一种量子力学效应。1958年江崎博士发表了关于隧道二极管的论文,从此金属和超导体的隧道现象的研究有了飞跃发展。大学期间物理学的课程包括大学物理、量子力学、半导体物理等等。

    上面谈到的电子是抽象的电子,或者说是电子的共性。不同材料中的电子的表现又各有不同。这就需要讨论材料的性质。在电子领域,我们主要涉及电子材料,比如硅、锗、石墨烯这样的半导体材料。大学期间材料学的课程包括半导体材料、电子材料等。

    半导体元件也称半导体器件。构成半导体器件的基本单元有pn结、金属-半导体接触、异质结、MOS结构等。半导体器件物理的对象就是这些基本单元的性质。利用这些基本单元可以构成各种半导体器件,比如场效应管、二极管等。有了这些半导体器件,则可以搭建各种完成一定功能的电路。把这个电路集成在一块芯片上就是集成电路。关于集成电路,又涉及到电路设计、工艺等,属于微电子学。

    电子携带有信息,就是电子信息。信息是通过模拟和数字电路处理的。模拟电路和数字电路是电子技术专业最基本的两门专业课程。

    将各种电路组合完成一定功能则形成系统。计算机就是这样一个系统。计算机或者任何芯片的结构都离不开普林斯顿结构和哈佛结构两种之一。

    对系统的控制是通过软件进行的。这样就产生了各种编程语言,比如汇编语言。对芯片的控制是通过指令进行的,芯片的指令集分为x86架构和ARM架构两类。这两种架构针对不同的应用场合设计CPU,主要是计算机和手机模式,前者采用通用计算机CPU,后者则是嵌入式单片机类型的CPU。

    一般而言,软件的设计和开发属于计算机方向。应用则十分广泛,比如农业自动化、控制、通信等等。

    可以看出计算机、电子和微电子这三个学科有比较明显的界限,简单来说,最底层的芯片内部设计等方向属于微电子研究方向,最顶层的和用户直接交互的软件,系统等的设计运用,属于计算机方向。这两层之间的领域,电子都有涉及。所以学习电子技术今后发展的道路相对还是比较宽的。

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