第 1 章 概論
1-1 電子學發展的歷史
1-2 電子學發展的趨勢
1-3 基本波形認識
1-1 電子學發展的歷史
1895 年荷蘭物理學家勞倫茲（ Hendrik Antoon Lorentz ） 提出獨立電荷存在的假設。這個假設在 1897 年，由英國物理學 家湯姆生（ Joseph John Thompson ）以實驗證實了電荷的存 在，他測量在真空管中流動電荷粒子的各種特性，並稱此帶負電的 粒子為電子（ electron ）。接著真空管放大器的發明，使得電子 學開始蓬勃發展。
電子學的發展歷史可以概分為真空管時期、電晶體時期以及積體電 路時期。下面我們將簡短地回顧電子學在歷史上的重大進展。
1-1 電子學發展的歷史
1-1.1 真空管時期 1897 年
德國科學家布朗（ Karl Ferdinand Braun ）製造出第一個真 空管（ vacuum tube ）以後，電子學的真空管時期就正式開始。 而這個真空管可說是陰極射線管（ cathode ray tube ，簡稱 CRT ）的始祖。
1904 年
英國電機學家弗萊明（ John Ambrose Fleming ）發明了具有 電流單向導通特性的真空管二極體（二極管），稱為弗萊明管
（ Fleming valve ）。它包含一個發射電子的熱燈絲和一個收集 電子的屏極。當屏極加正電壓時，可以收集電子；當屏極加負電壓 時，則沒有電流流通。
1-1 電子學發展的歷史
1906 年 美國電子學家德福雷斯特（ Lee DeForest ）在弗萊明管中加入 一個柵極，發明了第一個具有放大功能的三極管，稱為聲控管 （ audion ），如圖 1-1 所示。在這控制零件─柵極上的一點電 壓信號變化，可以在屏極產生很大的電壓信號變化。 隨著許多放大器及振盪器電路的發明，真空管開始大量應用於長途 電話、無線電廣播、電視機、計算機及控制電路等。1-1 電子學發展的歷史
1946 年 為了計算大炮的彈道線，美國賓州大學使用 18000 個真空管（重 30 噸）完成第一部電腦，稱為 Eniac 電腦，開始了以真空管為主 的第一代電腦時期。 作為放大器使用的真空管，如圖 1-1 所示，雖然開創了電子學發 展領域，設計了許多現今仍在運用的電路結構，卻因為真空管體積 大，使用時需加熱燈絲，耗費大量能量產生熱且燈絲容易燒斷，因 此元件的穩定度及可靠度均不理想。但是真空管在音頻響應的優越 特性是其他元件難以取代的，直到今日，音響玩家的擴大機裡仍可 看到真空管元件在發熱與發光。1-1 電子學發展的歷史
1-1.2 電晶體時期 因為真空管有體積大、速度慢、會產生高熱且壽命短等缺點，於是 在 1945 年許多科學家成立固態物理研究團體，致力於尋找更穩 定、更可靠的替代元件。 1947 年美國物理學家布拉登（ Walter H. Brattain ）、巴定（ John Bardeen ）以及蕭克萊（ William Shockley ）在貝爾實驗室 利用鍺（ Ge ）晶體發明了第一顆電晶體，從此固態電子學正式開 始。
1-1 電子學發展的歷史
1950 年 迪耳（ Gorden K. Teal ）於貝爾實驗室製作出第一顆接面型雙 載子電晶體。 1951 年 單一電晶體（ discrete transistor ）開始商業化生產。 1954 年 迪耳於德州儀器公司正式發表矽（ Si ）電晶體產品。矽電晶體操 作溫度可高達 200°C ，而鍺電晶體的操作溫度在高於 75°C 時， 特性就會產生很大的變化，因此矽電晶體比鍺電晶體穩定可靠。在 今日，大多數的半導體元件都以矽為主要材料。1-1 電子學發展的歷史
1-1.3 積體電路時期 1958 年美國德州儀器公司的開爾貝（ Jack S. Kilby ）工程 師最早提出單石電路（ monolithic circuit ）觀念：就是指在 單一矽或鍺半導體材料上，可以做出一個完整的電路。 1959 年 開爾貝在一整塊的鍺半導體基座（ Ge semiconductor substrate ）上製作出電阻器、電容器以及電晶體等元件，並宣 稱此種電路為固態電路（ solid circuit ），稍後改稱為積體電 路（ integrated circuit ，簡稱 IC ）。 積體電路的發明帶領電子學理論開始進入微電子學 （ microelectronics ）的領域。 1965 年英特爾（ Intel ） 創始人之一莫爾（ Gorden Moore ）發表莫爾法則：同樣大小的 微晶片上，電晶體元件數目（密度）每 18 個月會成長一倍。以 「每一片積體電路晶片所含元件數」來進行分類，積體電路的發展 可分為下列幾個時期：1-1 電子學發展的歷史
1960 年
小型積體電路（ small-scale integrated circuit ，簡稱 SSI ），每片晶片容量含有 100 個以下的電路元件，相當於 12 個以下的邏輯電路閘（ 1 個邏輯電路閘約需 10 個元
件）。 1961 年飛捷（ Fairchild ）公司完成 TTL 積體電路的 設計，並推出第一個商用積體電路。
1966 年
中型積體電路（ medium-scale integrated circuit ，簡稱 MSI ），每片晶片容量大約在 100 ～ 1000 個元件，相當於 10 ～ 100 個邏輯閘。 1968 年 IBM 公司運用 MSI 技術推出以積 體電路為主的第三代電腦─ IBM360 。
1-1 電子學發展的歷史
1969 年
大型積體電路（ large-scale integrated circuit ，簡稱 LSI ），每片晶片容量大約在 1000 ～ 10000 個元件，相當於 100 ～ 1000 個邏輯閘。 1971 年一群由飛捷公司離職的員工所 成立的英特爾（ Intel ）公司，推出具有 Eniac 電腦相同功能的 （ 4 位元）微處理器 4004 晶片。一片 LSI 微處理器晶片含有 兩千個元件，具有算術、邏輯以及記憶等功能，從此開始第四代電 腦時期。同年 11 月 IBM 公司利用 LSI 晶片，推出 IBM370 小型電子計算機。
1-1 電子學發展的歷史
1975 年
超大型積體電路（ very-large scale integrated circuit ，簡稱 VLSI ），每片晶片容量大約在 10000 個元件以上，相當 於 1000 個邏輯閘以上。 1974 年英特爾公司推出第一個（ 8 位元）微處理器 8080 。 1975 年 Zilog 公司推出功能甚佳的微 處理器 Z-80 。 1978 年英特爾公司又推出（ 16 位元）微處理 器 8086 及 8088 ，並以此做成個人用微電腦（ personal computer ，簡稱 PC ）。積體電路發展到 VLSI 後，大多用來製 作微電腦產品，因此又稱為微電腦時期。
1-1 電子學發展的歷史
1985 年 極大型積體電路（ ultra-large-scale integrated circuit ，簡稱 ULSI ），每片晶片容量大約在百萬（ 106 ）個 元件以上。 1990 年代英特爾推出的（ 64 位元）奔騰 （ Pentium ）系列微處理器，每片晶片有近 300 萬個電子元件 ，用的是 0.8 微米 (μm) 的製程技術。 2000 年英特爾推出奔騰 4 微處理器採用 0.18 微米 (μm) 製程，在一片指甲大的晶片上， 含有 4200 萬個電子元件。 2004 年，奔騰 4 微處理器採用 90 奈米 (nm) 製程，奈米級的晶片開始大量製作成商業產品，放進一 般家庭個人電腦裡（ 1 奈米等於 10-9 米，約有 4 ～ 5 個原子 寬度）。到了 2009 年量產的 32 奈米 (nm) 微處理器晶片上， 含有 19 億個電子元件，配合人們對行動運算的需求，製作出體積 小、耗電低且效能高的手持式連網電腦。1-1 電子學發展的歷史
微處理器（ micro-processor ）是積體電路的發展指標。如圖 1-2 所示，以 Intel 微處理器的系列產品為例，可以看到積體電 路晶片內部電晶體數目的發展過程。
1-2 電子學發展的趨勢
早在 1959 年，物理大師費曼（ Richard P. Feynman ）就提 出深具遠見的一句話：“ There is plenty room at the bottom.” （這裡面還有很大的空間！）如今奈米技術（ nano technology ）已成為 21 世紀第二次產業革命的重要技術之一 。 2009 年奈米級晶片所製造出來的半導體元件，記憶體容量已達 32GB ，而 6 核心微處理器的速度可以提供更快的運算速度，隨 著奈米技術的突破，電晶體元件數將可持續維持每三年四倍的莫爾 法則，做出容量更大、體積更小、速度更快且價格便宜的微處理器 及記憶體晶片。 電子學未來發展趨勢，將廣泛應用在提升人類生活品質的領域。 e 世代（電子世代）的電子工業也將繼續配合 4C 工業的發展及整合 ，推出提升人類生活品質的電子產品。 4C 分別為元件材料
（ component andmaterial ）、通訊（ communication ） 、電腦（ computer ）及控制（ control ）。
1-2 電子學發展的趨勢
元件材料 半導體材料的發展將開發出更高容量及更省能源的晶片。而光電子 學的發展也提供新的儲存、顯示技術以及更快、更可靠的光通訊。 其中發光二極體（ LED ）所放出的光因材料而異，因此 LED 的發 展過程相當於一部材料的開發史。早期常見的紅光、綠光 LED 多應 用在儀表與電器的面板做指示燈使用。近幾年白光 LED 漸漸擴展到 戶外的各種顯示應用，例如交通號誌紅綠燈以及行人專用的「小綠 人」。未來 LED 的亮度將不斷地提升，有希望成為人類省電又環保 的新照明光源，若能將台灣地區的日光燈全部以 LED 取代，一年 則可省下一座核能發電廠的年發電量。1-2 電子學發展的趨勢
通訊
數位通訊及多媒體資訊技術的發展，配合網際網路及手機的普及， 形成行動通訊系統，如表 1-1 所示，未來將可望繼續不斷地推出 更快、更好、更便宜的服務。
1-2 電子學發展的趨勢
有 3.5G 行動通訊系統之稱的「高速下載網路封包存取技術」 （ high speed downlink packet access, HSDPA ）於 2006 年開始商務運作。 HSDPA 基本上還是 3G 的技術，只需在 軟硬體上做升級，即可大大提升連網的速度、頻寬和涵蓋範圍。 現階段所謂 4G 的定義是在戶外移動中的傳輸速率達 100Mbps ， 室內靜止時甚至達 1Gbps 。它會是「手機網路」與「無線寬頻」 等異質網路的整合。在整合一切通訊傳輸介面的狀況下，行動通訊 可以提供使用者在全區不同網路間無縫的漫遊且高速的連網，進行 資料、語音、影像等三合一的傳輸。可以想像未來穿戴式智慧型手 機將具有 MP3 、 PDA 、相機、攝影機、衛星導航、網路連線遊戲 、網路雲端儲存服務、多媒體廣播與群播服務、智慧型家電搖控、 迷你電視與高清電影院等功能。
1-2 電子學發展的趨勢
電腦 過去電腦的功能僅限於幫助人類處理大量資料的儲存、分類、計算 、檢索等工作，並且即時傳遞資訊到任何角落。現今電腦的普及與 應用已深入到我們日常生活，使得飛機、汽車、電話機以及家電設 備等均能智慧化，生活變得更加便利。而且透過電腦還可以完成許 多人力無法單獨完成的工作，例如火星的探勘、動畫特效的處理等 。 電腦的發展如表 1-2 所示，電腦除了朝速度更快、記憶容量更高 、體積小、重量輕、外型精緻以及省電又環保的方向發展外，未來 電腦的發展由頻率越來越高改向多核心平行處理架構轉變，甚至是 具有思考能力的人工智慧（ artificial intelligence ，簡稱 AI ）電腦。例如 1997 年 IBM 的深藍電腦，以 2 勝 3 和 1 負的成績打敗西洋棋棋王，這就是電腦模擬人腦高速平行處理能力 所獲得的卓越成果。1-2 電子學發展的趨勢
控制 工業電子學以及儀表電子學所發展的控制系統，可以使工廠自動化 ，大量生產價格更便宜的產品。 未來的控制除了自動化之外，將與電腦和網路緊密結合，可以達到 人力精簡、決策品質提高，進而使商品朝精緻化、高附加價值發展。 傳統自動量測的儀表仍需以人工做數據的判讀、分析與回應；未來 智慧型儀表的發展趨勢，則與資訊技術結合，改由電腦做數據的自 動擷取、記錄、判讀、分析與即時回應。例如，美國國家公路交通 安全局（ NHTSA ）要求未來所有的新車都須配備「電子車身穩定 控制系統」。此項汽車電子控制技術可以防止車輛失控或翻覆，使 汽車安全獲得更進一步的保障。1-3 基本波形認識
電子電路通常有兩種輸入。一種輸入是大小穩定而不變的直流電 （ direct current ，簡稱 DC ），其作用可以使電路操作在適 當的偏壓狀態。一種輸入是流動方向及大小隨時間做週期性規則變 化的交流電（ alternating current ，簡稱 AC ），通常為等 待電路做處理的時變信號（ time-varying signal ）。其中時 變信號主要分為數位信號以及類比信號兩種。 數位信號的大小只有固定的兩種狀態。如圖 1-3(a) 所示，方波或 脈波的大小只有 5V （邏輯 1 ）或 0V （邏輯 0 ）兩種電壓位準， 其波形不連續。處理數位信號的電路稱為數位電路（ digital circuits ）。 類比信號的大小可以是任意值。如圖 1-3(b) 所示，弦波或三角波 的大小隨時間做連續性的變動。處理類比信號的電路稱為類比電路 （ analog circuits ）或線性放大電路。1-3 基本波形認識
隨時間做週期性重複變化的時變信號，如圖 1-3 所示，以基本波 形來分，包括方波、脈波、三角波及弦波等。
