电子学最早的应用 《中国大百科全书（第2版）》读书笔记9301-电子学

《中国大百科全书（第2版）》读书笔记9301-电子学

研究电子的发射、行为及效果的技术学科。电子学源于物理学。具体内容是研究电子运动和电磁波及其相互作用。

电子是带有负电荷的一种基本粒子。所有的原子都是由一个带正电荷的原子和若干个电子组成。如果将原子看成一个球，直径为米左右。原子核与电子的大小与原子相比极其微小，直径分别为米左右。

电子如此微小，其荷质比e/m却高达库/千克，这一数据表明单位质量的电荷量非常大，比小型大容量电容器大倍。电子的电荷通过X线衍射测得e为库。电子的静止质量为千克。

电荷周围伴有电场，电场对电荷产生力的作用。电荷的运动产生电流，电流周围又伴有磁场，磁场对磁体或电流也产生力的作用。当电流变化时，周围的电场和磁场也会随之发生变化。这种变化以波的形态携载能量以一定的速度向外传播，这种波称为电磁波。

电流变化越快，所产生的电磁波波长越短，但传播速度不变。电磁波在真空中的传播速度为299792.46千米/秒，与光速相同。

电磁场和电磁波还能和带电粒子发生相互作用，产生能量变换。理论和实践都证明，光波、X射线、γ射线等都是电磁波，只是波长不同。电子和电磁波具有波粒二象性。

电子具有自旋角动量和磁矩，自旋角动量为h/4π（h为普朗克常数），磁矩为一个波尔磁子。

电子具有波动性，如果电子的质量为m，速度为v。其波长λ=h/mv，此波称德布罗意波，即电子波。电子波在原子中处于一种共振状态。

电子的总能量E是动能和位能之和，因此电子的能量为分散值，与n相对应的E称为能级。对于孤立的原子，电子轨道能级是分开的。如果是晶体，电子的轨道能级就形成一个宽带，密集的电子轨道能级就形成了分开的允带。允带能容纳电子，不是允带的地方称禁带。禁带的宽度和带隙，禁带与允带的应有状态称能带结构。

一种物质是金属还是绝缘体或半导体，由能带的状态来决定，电子占有某一能级的概率用用费米-狄拉克统计给出。

电子可从物质中产生发射（热电子发射、光电子发射、次级电子发射等）。电子在磁场和电场中的运动以及电子在物质中的能带结构，电子与物质的碰撞等行为，产生了一系列的电子效果（现象、效应和规律）。这些效果的综合应用构成了电子学这一学科的全部内容。

2.电子学的范畴

电子学包含的范围十分广阔。从广义看，几乎覆盖了电子行为的所有领域。但着电子学本身的发展，现已将强电电能的产生、转换、分配、传输和使用称为“电力工程”，即电工。

电工的研究范围包括直流（DC）电路、交流（AC）电路与三相电路、静电与磁、电工测量、电机与电力电子学、电力系统、设备与施工以及电工技术的应用等。电工学以电磁规律为研究对象，形成以电力生产和电工制造两大工业生产体系，是现代社会电气化的重要指标。

另一方面，则是按程序自动进行信息处理的计算机，处理对象和结果都是信息，计算机已成为新技术革命的主力，并在全球范围内发展成战略产业。

电工学和计算机都因其发展特点和需要，已从电子学中分离出来，发展成为独立的学科。但它们既源于电子学，又与电子学有着密切的联系，随着电子学的发展而发展。如计算机的外围设备的价值超过计算机子系统的一半以上，外围设备实际上是电子学的器件和电路的综合。

超级计算机

当然，电子学的每一个新的突破都离不开基础科学，特别是物理学的进步。所以现代科学技术的发展都是互相依赖、交叉和渗透的结果。

电子学的狭义内容是研究电子运动的规律，即电子电“路”。“场”与波是电磁现象的基本形式，电磁波是信息传送的主要载体，在通信和广播为主的时代，被称为“无线电”。

无线电电子学包含了“路”和“场”两部分内容，现在则统称“电子学”。“路”和“场”的概念可用网络理论与场论的结合，以电磁场的规律支配电路，达到电磁场与电路的统一。电网络所表现的现象是网络内电磁场与构成网络元件之间的相互作用的结果，可用麦克斯韦方程组和物质电磁性质方程组来表示。

3.简史

有关电的记载可追溯到公元前6世纪，即摩擦起电现象的记录。

1600年W.L.吉伯用琥珀的希腊拼音称为“电的”（Elektron）概念。

1745年用来保存电的莱顿瓶出现。

能保存电的莱顿瓶

而后的二三十年中间，B.富兰克林提出了电荷守恒定律以及著名的天电风筝实验。

H.卡文迪什提出电力与距离平方成反比的实验。

1785年C.-A.de库仑的扭秤实验提出了库仑定律。

此时才从电的感认识发展到对静电学的初步了解，即电可以获得，亦可以储存，而且证明了雷闪就是放电现象。这些结果的得到时间却经历了2000多年。

由于放电现象不能获得持续的电流，电子的行为不能得到进一步的揭示。直到1799年A.伏打发明电池之后，世人才第一次获得持续的电流。

1821年T.J.塞贝克发现的温差热电效应，也可获得微弱的持续电流。

持续电流的发现使电学的充分研究得以实现。

19世纪以前，科学界普遍认为电和磁是两种独立的作用。直到1820年，丹麦的H.C.奥斯特和法国的A.-M.安培，发现了电流产生磁场和磁场对电流的作用时才改变了这种看法。

1826年德国人G.S.欧姆发表了著名的欧姆定律。

1831年M.法拉第发现了电磁感应。

电磁感应的应用

1833年俄国人H.F.E.楞次对电磁感应的研究，得出感应电流的方向是使它产生的磁场与原有的磁场的变化方向相反的楞次定律。

1840年焦耳定律说明了传导电流将电能转变为热能的规律，是设计照明和电热设备温升的主要公式。

1845年G.R.基尔霍夫研究了电路中流入各节点电流和各电压的固有关系，更加完善了欧姆定律，进入了电路的研究阶段。

这半个世纪是一个灿烂的时代，完成了直流电路规律的系统研究，电子学的基本定律都在这个时代发现，对电子行为的规律有了较深入的了解。

19世纪下半叶，电子学发展有两个里程碑：

①1858年J.普吕克发现阴极发射，而后科学家做了大量实验，直到1897年的J.J.汤姆逊证明阴极发射的是带负电荷的粒子（电子），从而导致了电子的发现。电子也可通过外加电场、离子轰击或热电子发射过程从阴极射出，并可用电场或磁场对电子束加速、聚焦和偏转。

②英国物理学家J.C.麦克斯韦1865年提出了联系电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程组。这个电磁场的方程组概括了当时已知的关于电磁现象的一切实验结果，并预见了电磁波的存在，还提出了光的电磁理论和电磁波产生压力等。

与此同时，荷兰的H.A.洛伦兹于1895年建立电子论时指出，运动点电荷在磁场中受到力即洛伦兹力的作用，洛伦兹力公式和麦克斯韦方程组以及物质的本构方程一起构成了经典电动力学的基础。

19世纪下半叶，电子学的应用成果主要是有线通信的发展和实用。

多芯电缆

英国害怕拿破仑的进攻，曾用桁架式通信机报告法国军队的动向，是有线通信的开始。当时的电报机除电磁式外，还有电化学式和英国的五针式等。

1837年这种电报机在长达20千米的5根电线上投入使用。同年莫尔斯电报机研制成功。

1876年2月14日，贝尔比格雷早2小时递交电话机专利申请而获得专利权，1878年成立贝尔电话公司，全力发展电话事业。

1891年史端乔式自动交换机告成，逐渐过渡到现在的电子交换机。

1851年最早的海底电缆铺设成功，直到现在世界的各个大洋中已遍布电缆。

铺设海底电缆

20世纪是电子学发展的辉煌时期。大致可分为三个时间阶段。

第一阶段是世纪初到30年代。1904年J.A.弗莱明发明了真空二极管，1906年D.富雷斯特发明了真空三极管，首次实现了电子电流可放大的事实，成功地进行了语言和音乐的无线电广播（332千米）。这一成功促进了电真空器件和电子电路的进步，如四极管、五极管和电子束聚焦以及外差电路、电磁滤波、负反馈放大器、石英晶体振荡器等。

1935年世界上第一台探测飞机的实用雷达（80千米）得到应用。

雷达

第二阶段是30～60年代。锗点接触晶体管（1947）和结型晶体管（1949）的发明对电子学向小型化、多品种、高性能的固体器件的发展起到决定性的作用。

而后又出现了隧道而极管、场效应晶体管（FET）、金属-氧化物-半导体（MOS）器件，带动了其他固体器件诸如铁氧体、磁芯、铁电体、磁泡、光电器件和表面波器件等以及激光器和全息技术的发展。

1952年英国的G.W.A.达默提出集成电路的概念和1959年J.基尔比首先实现了集成电路的开发。

集成电路

在理论研究上，1948年C.E.香农提出信息论，N.维纳出版《控制论》，为计算机、信息技术、自动控制和通信技术提供了新的理论基础。

这一阶段的电子学的重大应用有：1946年研制出第一台计算机；1953年美国开始试播NTSC制彩色电视；1957年英国研制成第一台扫描电子显微镜；1962年美国发射第一颗人造通信卫星；1961年发明第一台氦-氖红外气体激光器。

激光器

第三阶段是70年代到世纪末，是电子学的应用成果的收获期。从1974年研制成16位单片微处理器，到1976年第一台微型计算机研制成功，三年时间从芯片到微机，足以说明这一阶段电子学的发展速度惊人。

从此微机的发展和应用渗透到社会的各个领域，电路的集成度也逐年增高，从小规模集成到超大规模集成电路（元件数达1000万）在各种装置中广泛得到应用，尤其是制作工艺从90纳米逐步过渡到45纳米，突破了100纳米的瓶颈。

同时，各种传感器（固体的、气休的、液体的、化学的、生物的等）得到了有效的研制和开发，为非电量转换成电量提供了众多的有效途径，也为信息科学作了强力的铺垫。

研发的分析设备和控制系统，在能源开发、网络、多媒体通信、数字电视、空间技术、遥遥感、天体研究、生物医学与仿生、军事武器、图像处理以及材料科学等领域得到广泛的应用。电子学无愧为20世纪最活跃的带头学科。

4.电子学的内容

电子的运动和电磁场及其相互作用表现出很多有意义的特性。这些持性或者它们的相互组合，构成了千变万化的电子技术的具体内容。这些持性主要可归纳为：

①当外给能量克服表面势垒后可使物体中的电了逸出。外给能量可以是热、光、电场、等离子体、电子或离子轰击。电子通过次级发射而倍增。

②电子运动产生电流。电流可以放大。放大是通过有源器件达到增加信号幅度和功率的物理过程，是可控制的电源对输由的能量转移。因此，放大是电子电路最突出的功能。

③电流均产生磁场，电荷的周围存在静电力作用的电场。电子在磁场和电场的作用下得到偏转和加速。电流流过导体产生热。电源和化学效应相呼应。

④位移电流所产生的电场和磁场的波动，形成电磁波。这种运动的能量以光速在空间传播。电磁波在介质界面上可以反射、折射、绕射以及相互干涉。

⑤电流的大小和方向随时间变化形成交流电。交流电可以是正弦的，也可以是非正弦的，具有幅度大小、波形、变化速度和相位特性，并能加以控制和改变，常作为信息的载休而被利用。交流电根据对象的不同分为频率域和时间域的研究方法，但两者在数学上得到统一。

⑥根据电子电荷的迁移、守恒、储存，电磁场的运动形态，能级与能带等特征，以及电子在晶体中的运动和行为，研制了各种有源电子器件。利用宏观的电磁规律和定理，构成了无数的电子电路，从而得到波形的发生和停止、通带与滤波、调制与解调、整形及变换、传输和接收、衰减与放大、激励与反馈、相干与同步、稳态与瞬变等种种功能和处理方式。

⑦控制电路使处于开关状态的电子开关，将其“开”和“关”状态对应于“有”和“无”，或“1”和“0”构成与逻辑运算对应的逻辑电路和数字电路。

⑧各种物理、化学和生物等的非电量，通过不同的传感器可转变为电量（电流或电压）。传感器是自然界与电子学应用的界面。

⑨自然界中存在的能源，如化学能、热能、动能等均可转化为电能，电能可远程输送并转化为其他能源，形成电力电了学的重要领域。电信号可通过功率放大而强力发射。

⑩由于微电子技术的发展，大规模集成电路日臻进步，集成电路块的出现简化了电路设计，为普及电子学的普遍应用铺平了道路。

⑪电子电路中必然存在噪声和电磁干扰。消除噪声和干扰成为电子学的重要内容。干扰和噪声亦可加以利用，成为电子对抗等的主要手段。

表1列出电子运动的特性和所获得的相应成果，这些成果中的每一项都开拓出一片研究领域。它们之间既相互依赖又相对独立，从而组成无穷多种电路和应用系统。

另一方面，电子学与其他学科的相互渗透，形成新的分支学科，如量子电子学、超导电子学、核电子学、射电天文学、空间电子学和生物医学电子学等，这些学科都具有极强的生命力。

电子学的发展非常迅速，现只对若干有代表性的领域，如图所示作一简要的展望，也可看到电子学与计算机相辅相成和密不可分的现实。

5.信息的获得、传输和识别

信息的获得是信息技术的基础。传感器作为换能器件是实现测量和自动控制的主要环节。传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，其能量转换有些是可逆的。因此，灵敏、精确和可靠是传感器的核心要求，采用更多的高技术和新材料是其发展的总趋势。

电子材料的高能化、微电子技术超高精密加工的应用，使新型传感器成化、多功能和智能化成为可能。即使传感器的灵敏度很高，而且输入输出是线性的，但如果非电量的信号极为微弱，转换后的信号也将被噪声所淹没，为此发展出用相干的或积累的理论、方法和技术的微弱信号检测。

气象传感器

现代的传感器常将检测、控制、相干、致冷、电子倍增、低噪声放大和模数转换等集成或组合成“探头”，将最优化的结果变成数字输出，完成信息的获得和提取，通过后续的信息外理得到需要的结果。

如果所获得的信息进行远程传输、资源交流和共享，光纤通信、移动通信和卫星通信是其三大支柱。

在卫星通信方面，将研究新的高速数字调制及编码技术；多种多址方式的实现；利用相控阵天线产生可控波束、压缩张角，以满足多窄波束卫星的需要；开发更高的传输频段，以及研究与信息高速公路相适应的通信网络技术等。

卫星通信

在光通信方面，各国均放在进一步增大速率距离乘积技术，光同步数字体系，光纤网技术和集成技术等四个方面。

光孤子技术是光纤技术研究的新成果，是大容量（大于10吉比特/秒）、长距离（大于10000千米）通信的优选技术，围绕光孤子技术的源，调制器、光纤、放大器等成为重要的研究课题。

网络

网络技术也是信息传输的重要方面，尤其是智能网、信会网、同步网和监控管理网都是网络技术的组成部分。

语音信号、图像信号、各种振动波形、红外或X射线图等都是信源信息的载体。从这些信号中提取特征，进行计算机自动分类和识别是信息利用的基本方式。

通常信源特征可有几何特征、数学特征和结构特征。几何特征如线、曲线、圆、矩等，以及拓扑关系。数学持征如频谱参数、预测系数参数、高阶矩参数，以及各种变换参数等。结构特征是指一组基元特征的语法结构特征，一般以生成式及文法表征。

特征抽取及选择研究的主要内容是一个统计优化问题。分类和识别亦称模式识别理论，有统计和结构模式识别之分，近年来将两者结合的识别是一个趋势。

以知识为基础的模式识别的出现和不断发展，标志着模式识别方法走向智能化，是认知理论发展的必然结果。模式识别最重要的应用领域是语音识别、图像识别和文字识别。

二维识别技术日趋成熟，当前的方向是三维计算机视觉。从仿生学的角度，正试图改变过去模式识别的单一的传统研究方法，发展新型具有多信息综合处理和相互转换功能的系统，以期在实际应用中发挥各自的特点。

6.电磁波与天线

“场”与“波”是电磁现象的基本形式，是通信、广播、雷达、遥感、电子对抗、目标管理、目标识别等中的信息载体。电磁波中特别是（波长30千米）至（波长0.1千米）范围中，由国际电信条约规定的电波，使用情况如表2。

从表2的频段中，宇宙通信的最佳频率为1～10吉赫，短波由电离层反射可传送到地球背面，是广播通信的主要频段。而低于VLF的超长波在水中的衰减很小，可用作潜艇通信、水下导航等。

另外，高于EHF低于光纤通信的中间频段（波长1毫米至1微米），是如今尚未被使用的空白处，得到高度重视，特别是450微米和350微米上的大气窗口将为遥感和卫星通信提供新的手段。

电磁波的研究已深入到十分复杂的领域，如研究复杂媒体（如不均匀介质、随机介质、手征介质、分形介质）以及复杂形状和构造的介质中的电磁传播及相互作用、复杂系统（如高频、高速集成电路结构）中的电磁现象和生物体的电磁现象，复杂环境（如电子对抗、核致电磁脉冲）和瞬态的电磁现象等，这是电磁散射进行结构或参数的重构问题，同时还牵涉到全极化电磁场和电磁波与物质的相互作用（非线性波）等问题。

无处不在的电磁波——通信基站天线

电磁波传播的研究，首先是通信中无线电导航与定位的需要，现己扩大到各种电子工程应用系统和相关学科，如天文（探星球表面、测定距离、测量电离层中的电子含量、密度等）、空间（空间飞行需了解高空的电离层、磁层、地球辐射带与等离子体中的辐射和接收特性，以及电磁波的产生、传播和能量转换等）、气象（探测云层、雨区和雷电中心位置与运动等）和地下通信等领域。

关于电离层的传播，由于近年来实时信道评估技术、调制、解调和微电子技术的发展，为短波无线电系统的自动化和数字化奠定了基础。

高频雷达具有超视距、反隐身和增加预警时间的特点，引起了广泛重视。

波长1米至1毫米的电波为微波，是通信和卫星通信的重要手段，微波源已从电真空器件向固态器件过渡；电路从分立元件到混合集成，进而到单片集成；天线由无源反射器走向平面有源阵列天线。

另外，利用高温超导体制成的低温天线、铁氧体基片及其他材料的微带天线和有源微带天线，为开拓毫米波频资源创造了有利条件。

微波和光波的结合，一方面可利用快速光脉冲控制微波，其响应时间非常之短，另一方面是飞秒光脉冲可导致太赫（赫）高频电磁波。反过来，微波可控制或激励光，从而使微波副载频光纤通信成为可能。

7.电子器件

电子器件是电子学的核心，它将直接影响电子电路性能的提高和开发新的电路。微电子技术不但提高了电路的集成度，还提高了可靠性，以及与系统相结合的可能性。

从20世纪50年代起的发展历程看，典型的电子器件每隔10年尺寸缩小到1/10（体积V缩小到1/1000），响应时间T缩短到1/100，而且传送信号的频率f增加了大约100倍。

体积越小集成度越高，响应时间越短，计算处理速度就越快，输送频率越高，传送信息量就越大。按器件的综合评价指数P=f/(V×T)计，每隔10年P增大倍，即以每年5倍的速度在进步。

从发展的趋势看，应用亚微米工艺的超大规模集成电路的研究，包括器件物理、器件结构和计算机辅助设计（CAD）与工艺技术是研究的主流。

微电子技术的最新成果是“使分子连成线”，实现了用可组装的单分子制成的器件组成具有逻辑运算功能的“分子电路”、其尺寸比现有计算基芯片中的电路小数千倍。它标志着分子电子学的研究从分子材料、分子器件进入到分子电路的新阶段。

分子材料是指用于制作微电子元件的有机或生物材料。分子器件是将分子材料组装排列而成的有序结构，具有信息处理能力。分子电路是将单个的分子器件连接起来，实现逻辑运算功能，长远目标是实现分子计算机。

分子电路所使用的材料是碳纳米管、无机半导体纳米线（硅、磷化镓和磷化铟等）。难点是分子与电极的连接和电极的制备。使用的技术为自组装、电子束光刻设备和低温真空镀膜。

美国通过在室温条件下操纵单个原子，研制出原子级体积的硅记忆材料，存储密度达到了光盘的100万倍；应用“分子瀑布”技术，研制出全球最小的分子尺寸的多米诺式计算机电路；以及64位高密度电子寻址存储器原型，采用分子开关作为有源器件，其面积小于1平方微米，存储密度是硅存储器芯片的10倍。

开发出的单分子记忆技术，利用光线照射单个分子来实现信息存储，可反复存取百万次而不损坏，存储速度更达到皮秒级；还成功开发出单半导体管强介电存储器，为新一代10亿位以上的存储器进入实用阶段铺平了道路。

真空电子器件的研制，在高功率领域从射频到毫米波段占着主导的地位，包括电子束器件和电光源器件等。电真空器件在抗辐射性能方面有无比的优越性，受到广泛关注。

真空电子器件及真空微电子器件都离不开电子光学，而细束电子光学及高亮度微束斑（小于1微米）、宽束电子光学则以无畸变、高传输函数为主要内容。

设计中采用最优化和相空间分析方法，近年来利用单原子针尖电子源产生低能电子全息图已得到成功。利用介质阻挡放电以产生真空紫外源可望用于光刻技术。因此，薄膜技术和表面科学的发展与真空电子学相结合与渗透，为未来的电子器件开拓了无限前景。

8.电路与系统

在电子技术的发展历程中，一种新的电子器件的出现，总是先对其相关的理论和应用加以研究，然后推广至专门的电路和系统；同时为了得到新型的电子系统，反过来又促使新的理论和新器件的研发。

如非线性PN结电容的出现，引起变参数网络理论的研究，促进了参量放大器的实现。隧道二极管使负阻网络的研究有了意义，为负阻放大器提供了理论根据。为克服单片集成RC有源滤波的困难，在MOS工艺下进行开关电容网络的研究，不仅解决了单片集成RC有源滤波器，还丰富了电路与系统的形式和功能。

大规模集成电路（VLSI）的发展，使电荷耦合器件（CCD）与移位寄存器、CPU与存储器集成在一起构成为电路单元，从而使一般的数字电路变成带有算法功能的数字系统，直接把电路系统理论和应用算法紧密结合在一起。

VLSI技术可将一个复杂的、完整功能的应用系统集成在一块硅片上，因此器件设计、电路系统和应用算法三者彼此影响，大大丰富了电路与系统的研究。

每当电子学和信息科学中出现新的思想、方法和技术，都会迅速反映到电路和系统中来，成为基础研究的重要内容，如时变与非线性电路和系统、VLSI和系统、电路参数的变化与容差、故障的诊断和预测以及特殊系统的理论和方法等。

尽管数字电路起了很大的作用，但模拟电路仍然有很重要的地位。因为它更是电子学的基础，在速度和电路简易性上占有很大的优势。其重点在于：高速ADC，DAC；高频、超高频模拟滤波器；特种电路诸如低噪声放大、互导放大、乘法器、采样保持、高速读放电路等；传感器的专用电路；微弱信号险测技术和模拟神经网络电路等。

9.未来的新技术

21世纪的新技术主要反映在6个方面：

9.1.纳米技术

随着扫描隧道显微镜、原子力显微镜和近场光学显微镜的相继问世，可在原子或分子尺度（纳米）进行检测和操纵。而计算机的发展，又使在纳米尺度下模拟材料的复杂行为成为可能。

另外，现代电子学对电子器件的微型化要求也推动了纳来科技的发展并影响物理、化学、生物、电子、材料、医学，通信、能源等诸多方面。在电子学方面将展开纳米电子学、纳米光电子学和纳来磁学等研究：如更节能、更便宜的纳米结构的微处理器将使计算机的效率提高100万倍，更高频率的宽带网（大于100倍）、存储容量增加到比特的海量存储器以及新型传感器的开发，小于100纳米的商用芯片、用于电子元件的纳米结构材料、可再生能源的光电技术等方面，也有可观的预测前途。虽然这些技术和应用尚需5～20年的时间，但各国都给予极大关注，以占领21世纪的制高点，无疑它将促进电子学的新飞跃。

9.2.半导体自旋电子学

电子有两个内禀特性，即电荷与自旋。微电子学是利用电子电荷来携带和处理信息的。新一代的电子器件将是基于微电子学和自旋相关效应的自旋电子器件。与半导体器件相比，自旋电子器件具有稳定性好、速度快、功耗低和集成度高的优点。

在研究半导体中载流子、掺杂磁性原子以及原子核等自旋极化性质的基础上，通过对电了自旋态的产生、注入及输运的控制，半导体将展示许多新颖的功能，由此导致了半导体自旋电子学的出现。

集成电路中所使用的半导体晶体管以及激光器等所涉及的材料都是非磁性的，载流子的能量与自旋方向无关。由于集成度已达到其技木极限，器件的尺寸达到纳米量级，所以表现出来明显的交换作用和自旋效应。

半导体自旋电子学可分成两个领域：一个是半导体磁电子学，它是利用磁性半导体材料或者磁性、半导体的复合材料，将磁性引入到半导体中，由此可研制光隔离器、磁传感器及非挥发性内存等新的半导体器件，而且这些器件都可集成到其他半导体器件和电路中。如果将光学、磁学和电学性质结合起来，还会产生自旋场效应品体管、自旋发光二极管以及自旋共振隧穿器件等全新的多功能自旋器件。

另一个领域是半导体量子自旋电子学，它主要是利用电子自旋的量子力学特性。许多非磁地半导体中的自旋相对于电子极化有比较长的相干时间，并且可被光场或电场控制，所以在一个量子力学系统中自旋控制很容易实现，从而促进新的固体量子信息处理器件的发展，如太赫光开关、调制器、加密/解码器以及量子比特等。

9.3.神经网络

神经网络的存在是从对生物脑的生理学研究中认识到的，研究阐明神经元的连接情况和方式的强度，与人类或动物的学习有很大关系。

神经计算机是以探求模拟人脑进行信息处理为目的，从脑生理学发展到与神经元模型相结合的神经元网络的研究。随着半导体技术的进步，使神经元网络的庞大结构能用硬件来实现，即使它还不具备人脑的功能，但只要能实现由所谓反射神经引起的运动，就能对有关的许多领域，特别是控制领域产生飞跃。

另外，由于神经元网络具有学习功能，虽然规模很小，但已在字符数字的模式识别、复杂系统的控制以及联想记忆等智能信息处理中得到应用。

9.4.模糊控制

计算机是将所有的事务分解“是（1）”和“非（0）”来处理的。当一个概念不能用一个分明的集合来表达其外延的时候，存在模糊性，如所谓“路滑”、“健康”、“干净”等。因此，不承认模糊关系的计算机在本质上是模糊的人类之间的信息处理，表现出人机关系的不友好。

模糊控制的特点是不需要考虑控制对象的数学模型和复杂情况，而仅依据经验所制定的控制规则。模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属度函数以及输出量到实际的控制量的转换方法等，都带有相当大的任意性。

常用的专家系统是将专家的知识灌输给计算机，计算机能像专家一样处理问题，但专家的知识是句子，句子是模糊的，模糊理论起到了重要的作用。

9.5.人工智能

人工智能是使计算机具备如同人类那样高度智能化信息处理能力的一种研究。计算机从最初的数值计算到如微积分等符号处理，初期的研究取得了超出预想的结果。

随着研究的深入，重新认识到人类自身能力的伟大，开始了相当于人眼功能的人工视觉的研究，如文字识别、模式识别、图像处理、自动翻译、物体识别，以及相当于人耳功能的语言识别、语音合成等的研究。

另外，机器人与专家系统也得到相应的发展，人工智能正向人类的识别功能的原理和应用的方向不断地探索和努力。

9.6.混沌

混沌是原来遵循简单规律的有序运动形态，在某种条件下突然偏离预期规律而变成了无序的形态，这种无序现象不可预测和对初始值极端敏感。

混沌来自非线性引起两个变量依从关系的多值性，导致分岔、跳跃、突变等原因。混沌实际上隐含某种规律性，用简单的结构可实现复杂的现象。但初始值的微小不同导致近期输出的巨大差异，因此在控制上仅用于短期预测。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第5册，中国大百科全书出版社，2009年

电子的奇迹：霍金斯的电子学

当人们谈论物理学家时，第一个想到的人物往往是伟大的爱因斯坦。但是，如果你问关于电子学的问题，那么你最终会得到的答案是霍金斯（John von Neumann）。

霍金斯是一位出色的物理学家，他发明了电子学，并将其应用于计算机科学领域。他的研究成果对今天的计算机科学领域有着深远的影响，是计算机科学发展的重要基础。

霍金斯出生于匈牙利，他的父母都是犹太人。他的父亲是一名教授，他的母亲则是一名社会活动家。他从小就表现出对数学和物理学的强烈兴趣，并在学术上取得了巨大的成就。

在霍金斯的职业生涯中，他取得了许多成就。他曾在美国军方的核计划中担任重要职务，并参与了许多重要的研究项目。他也曾多次获得国际著名的奖项，并被授予博士学位。

然而，霍金斯最著名的成就是他发明的电子学。他提出了一种新的理论，即“电子系统”，这种理论可以解释电子电路中的电子行为。他的理论和研究成果为计算机科学的发展奠定了基础，使计算机能够实现更多的功能。

霍金斯的研究成果不仅为计算机科学领域做出了巨大贡献，而且也为其他领域，如物理学、数学、化学等领域做出了重要贡献。他的研究成果为现代科学提供了重要的支撑，使人类能够更好地理解自然界。

因此，我们可以说，霍金斯的研究成果是电子学的奇迹。他的研究成果不仅使计算机科学取得了巨大进步，而且也为其他领域的研究提供了重要的支撑。他的贡献无疑是一种奇迹，也是对电子学的贡献。

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