電子學（英語：電子器件）是一門以應用為主要目的的學科，它主要研究電子的特性和行為，以及電子器件的物理特征。電子學是物理學的一個分支，并涉及化學、數學、材料等其它學科門類。研究內容包括電子的運動規律、電子器械制造以及電磁波在不同介質中的物理效應等。
電子學的誕生可追溯至19世紀80年代，當時電子學的研究主要集中于托馬斯·愛迪生效應和關于電磁波存在的驗證實驗。后來隨著硬件的發展，電子學也逐漸應用于更多的領域，1904年，英國J.A.弗萊明（J.Fleming）發明了電子管，使之成為當時各種電子設備中必不可少的電子器件。1948年，貝爾實驗室J.約翰·巴丁（J.Bardeen）、W.H.沃爾特·布拉頓（W.Brattain）和W.B.威廉·肖克利（W.Shockle）三人共同研制出了三極管，它促進了如集成電路、微處理器和微型計算機等的發展。20世紀60年，集成電路發明之后，各種電子設備向著微型化方向發展。進入21世紀，隨著不同學科的交叉，電子學在不同領域的研究也越來越深入，發展出了例如量子光學、納米電子學等學科。
電子學專業及學科體系復雜，分支眾多，可按性質分為以下四類：系統和大系統技術，基礎理論與基礎技術，元件、器件、材料與工藝，交叉專業和學科類。其中系統和大系統技術是用電子學方法實現具有某一種或多種社會和軍事應用的功能。基礎理論與基礎技術主要研究功能性電子系統所需的各種技術手段或基礎理論。元件、器件、材料與工藝的研究內容包括電子學相關的元件、器件、材料與工藝。交叉專業和學科類則是研究與電子學有交叉影響的專業和學科等。電子學的應用領域頗為廣泛；比如，計算機領域的計算機存儲器、處理器、控制器等硬件設備都使用到了電子學技術，又如，在自動化領域使用電子控制器替代手工操縱等。
簡史
學科起源
電子學的誕生可追溯至19世紀80年代托馬斯·愛迪生效應的發現和關于電磁波存在的驗證實驗。
1879年，美國愛迪生（T·Edison）發明了白熾燈，隨后其致力于研究延長碳絲白熾燈的壽命。1883年，愛迪生意外地發現在燈絲與加有正電壓的電極間有電流流過，電極為負時則無電流，這就是愛迪生效應。這一發現促成了后來電子管的發明。
1887年，德國H.R.赫茲通過火花隙激勵一個環狀天線，用另一個帶縫隙的環狀天線接收，證實了詹姆斯·麥克斯韋關于電磁波存在的預言。這一重要實驗促成了后來無線電報的發明。
電子管
托馬斯·愛迪生雖然發現了熱電子發射現象（即愛迪生效應），但他并未弄清其產生機制。1897年，英國J.J.湯姆遜揭示出形成愛迪生效應的荷電粒子是電子，愛迪生效應乃是一種熱電子發射現象。
1904年，英國J.A.亞歷山大·弗萊明（J.Fleming）首次把愛迪生效應付諸實用，在真空中加熱的燈絲前加了一塊板極，發明了二極電子管。二極電子管的發明為無線電報接收提供了一種靈敏可靠的檢波器。
伴隨著電子管技術的發展，無線電通訊技術也獲得了進步，1906年，美國范信達（R.Fessenden）首次實現調制無線電收發音樂和演講，發展了元線電廣播技術。同年，美國發明家李·德富雷斯特（De Forest）發明了真空三極管，它集檢波、放大和振蕩三種功能于一體。三極管的發明為當時蓬勃發展的無線電報通信事業提供了一種極其有用的器件。
1916年和1921年先后實現了無線電話和短波通訊。1928年，茨沃雷金基于電子管技術發明了第1代攝像管，這也成為現代電視的基礎。1933年實現了微波通訊。在20世紀30年代，基于電子管技術的雷達和無線電通訊技術，在第二次世界大戰中發揮了重大作用。
20世紀40年代，電子管的出現、電子學和控制理論的形成孕育了第一臺電子計算機的誕生。1943年，正當第二次世界大戰激烈進行時，美國陸軍火炮公司為了精確測得炮彈的彈道軌跡，委托賓夕法尼亞大學穆爾電工學院制造高速計算機。在電氣工程師埃克特（J.Prespen.Eckert）和物理學家莫克利（John.W.Mauchly）領導下，1945年12月研制成功，于次年2月交付使用，命名為“NIAC”（音譯：埃尼阿克，是Electronic Numenical Intergrator And 計算器 的縮寫），意為“電子數值積分器和計算機”。
在三極電子管之后，四極電子管、五極電子管、更多極的電子管和復合管相繼出現，形成了收信管、發射管、低頻管、高頻管、微波管和超小型管等系列。電子管是電子器件的第一代，在晶體管發明以前的近半個世紀里，電子管幾乎是各種電子設備中唯一可用的電子器件。
晶體管
由于電子管在體積、功耗、壽命等方面具有一定的局限性，1948年，貝爾實驗室宣布J.巴丁（J.Bardeen）、W.H.沃爾特·布拉頓（W.Brattain）和W.B.威廉·肖克利（W.Shockley）三人共同研制出了三極管。初期的晶體管是點觸式的，制造比較困難，穩定性較差，但它畢竟是時代的標志。1957年，同為貝爾實驗室的D.斯帕克斯發明了面結型晶體管，該晶體管克服了點觸式晶體管的缺點。后來，由于材料工藝方面取得的進展，W.B.肖克萊早期設想的場效應管也得以實現。
晶體管以其體積小、重量輕、耗電低、壽命長、工作可靠等優點，大大加快了電子技術的發展。電子學在以后取得的許多成就比如集成電路、微處理器和微型計算機等，都是從晶體管發展來的。
集成電路
20世紀60年代，隨著電子技術的不斷發展，電子設備中的電子器件也愈加增多，為了確保設備的可靠性，減少其重量和縮小其體積，于是誕生了集成電路。
1958年，美國德州儀器宣布了一種集成振蕩器的問世，首次把晶體管和電阻、電容等集成在一塊晶圓上，構成了一個基本完整的單片式功能電路。1961年，美國快捷半導體（蘇州）有限公司宣布制成了一種集成的觸發器。1962年，制造出了包含12個晶體管的小規模集成電路（Small-Scale Integration，SSI）。
由于集成電路的小型化，通訊設備也開始向小型化發展，1963年，美國成功發射了“Syncom2”同步通訊衛星，首次實現與地球定點同步。1964年成立國際通訊衛星組織，該組織從1965年發射第一顆“國際通訊衛星一1”以后，衛星通訊開始進入了商業化階段。
隨著集成電路的集成度越來越高，不同規模的集成電路被發明出來，1966年，100～1000個晶體管的中規模集成電路誕生（Medium-Scale Integration，MSI）。1967-1973年，集成度為1000～10萬個晶體管的大規模集成電路（largeScale Integration，LSI）被研發成功。1977年，研制出在30mm2的硅晶片上集成15萬個晶體管的超大規模集成電路（Very Large-Scale Integration，VLSI），自此電子學正式進入微電子學時代。
1993年，電子學進入特大規模集成電路（Ultra Large-Scale Integration，ULSI）時代，研制出集成了1000萬個晶體管的16MB FLASH（閃存）和256MB DRAM（動態隨機存儲器）。1994年，由于集成了1億個器件的1GB DRAM研制成功，標志著進入據大規模集成電路（Giga Scale Integration，GSI）時代。
與此同時，模擬集成電路也獲得了發展。設計師和生產商在一小片導體晶圓上集成了許許多多晶體管電路，硅片由塑料外殼封裝，外部的金屬引腳連接到芯片內部硅片上的細小引線上。集成電路的發明開創了集電子器件與某些電子元件于一體的新局面，使得傳統的電子器件概念發生了變化。這種新型的封裝好的器件體積和功耗都很小，具有獨立的電路功能，甚至具有系統的功能。單片微波集成電路也已進入生產階段。
21世紀
進入21世紀后，微電子技術促進了信息技術產業的迅速發展，特別是與其它技術相結合，應用于光纖通信、光電顯示以及激光器等領域。同時隨著量子和納米技術的發展，電子學在量子始與量子場、量子信息學和量子計算機等方面的研究越發深入。
人們利用電子自旋特性、電子簇團的“準粒子”量子特性，開辟了電子學新的領域，在自旋電子學中，發現了巨磁致電阻效應，使磁存儲技術在計算機存儲設備中得到了應用；在聚合物電子學中，發現了導電聚合物，開辟了聚合物電子學研究的新領域，使聚合物發光器件、太陽能光伏太陽電池、大面積柔性聚合物顯示器件和聚合物激光器等研究領域有重大進展。
研究對象
電子學研究范圍十分廣泛，只要涉及電子的相關內容幾乎都在電子學的技術領域內，包括電子的發射、行為和效應，發明和應用電子器件等；其具體的基本內容可以分電子運動規律、電子器械制造以及電磁波的研究等。
電子運動規律
電子是自然界中存在的最小電荷，即電荷的基本量，其在不同的空間或不同條件下放電以及運動的規律均不同。例如在真空中，利用電場給電子加速，可以通過另外一個電場使已經加速了的電子束偏轉方向，可以給運動著的電子加上一個磁場迫使電子沿周軌道運動，在某些固體中同樣存在可以比較自由運動的電子。
電子學便是研究真空、固體以及氣體等離子體中電子運動的規律和外部作用對電子運動及自由運動電子數量的影響。此外電子在不同的物體間的運動還會攜帶能量和轉換能量，電能進而可以轉換為光能、熱能、機械能或化學能等，在此過程中，電子學還會通過研究各種外部因素的作用對運動著的電子具有什么影響以及利用這些現象能夠達到什么效果。
一切電子器件的作用就是控制電子的運動和電子的數量，因此對于電子運動的研究有助于對電子器件的性能的提升以及新電子器件的開發。
電子器械制造
由于歷史上電子器件的進步都促進了電子學的發展，因此現代電子學的研究內容中電子器械也是重要的內容，其中的重點便是半導體器件，作為半導體器件的基礎——半導體是指導電能力介于導體和絕緣體之間的物質，常用的半導體有硅和鍺等。半導體的導電能力與許多因素有關，其中溫度、光及雜質等因素對半導體的導電能力有較大影響，因面半導體具有熱敏特性、光敏特性和摻雜特性。這也正是電子學研究的電子運動規律研究。
對于電子器械的研究可以促進電子設備變革，例如成本降低、體積減小、性能提升等。此外它還可以促進其他科學技術分支的發展，例如天文學、光學等。
電磁波
因為電和磁不僅性質相似，而且還可以互相轉化，因此電磁波也是現代電子學的基礎，當電場和磁場向外擴散時，就像水面上的波紋，因此也叫電磁波。光的本質就是電磁波，除了可見光、無線電、微波、紅外線、紫外線、X 射線、γ射線等都屬于電磁波，電子學則是研究電磁波在真空、氣體、液體、固體和等離子體中傳播時，會發生許多物理效應，此外電子和電磁波相互作用產生的物理規律也是電子學的研究內容。
由于電磁波可以在無線電通訊、廣播、電視、雷達、FAX以及遙測遙感中應用，因此電磁波的研究有助于這些領域更深入的發展，促進人類文明的進步。
主要定律
基爾霍夫定律
基爾霍夫定律是電路理論中最重要的定律，是解決電路問題的基本理論依據，它揭示了特定的電路結構給電路中各個電壓和電流帶來的約束關系。基爾霍夫定律有兩條：基爾霍夫電路定律（Kirchhoff's Current Law，簡稱KCL）和基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff's 電壓 Law，簡稱KVL）。
基爾霍夫電流定律一般有兩種表述，其一為任一時刻，流入電路中任一節點的電流之和必等于流出此節點的電流之和，數學表達式為。其二為對于電路的任意一個節點，流入該節點的所有瞬時電流的代數和為零，即
基爾霍夫電壓定律表述：任一時刻，沿電路中任一回路，按一定方向繞行一周，回路中所有支路電壓的代數和恒等于零。數學表達式為
等效電源定律
等效電源定律可以將一個具有復雜結構的激勵源網絡簡化成一個簡單的結構，從而方便電路的分析。與基爾霍夫定律類似，等效電源定律也可以分為兩部分：戴維南定理和等效電流源定律。
等效電壓源定律又稱戴文寧定律（Thevenin Law），在一定的電源激勵下的線性網絡與另一個任意網絡’互相連接時，對于網絡'來說，無論網絡的內部結構如何，它都可以等效成一個等效電壓源和一個等效源內阻的串聯。
注：其中等效電壓源等于網絡的端口1-1'間的開路電壓（即去除負網絡'后測得的端口電壓）；等效源內阻等于網絡內所有獨立源被去除（即將電壓源短路、電流源開路）后的端口1-1'間的總阻抗。
等效電流源定律又稱為諾頓定律（Norton Law），其主要內容為在一定的電源激勵下的線性網絡與另一個任意網絡‘互相連接時，對于網絡'來說，無論網絡的內部結構如何，它都可以等效成一個等效電流源和一個等效源內阻的并聯。
疊加定律
疊加定律是分析多源線性電路的重要定理，其定律內容為在線性電路中，任意一個支路的電流（或電壓）都是電路中各個電壓源或電流源單獨激勵時在該支路中產生的電流（或電壓）之總和。
其表達式為：，其中表示為激勵，表示相應。所謂電壓源或電流源的單獨激勵，是指將電路中其它的獨立源去除，即電壓源短路、電流源開路。
學科分支
電子學包含有眾多的分支，按性質可劃分為四大類：系統與大系統技術，基礎理論與基礎技術，元器件、材料與工藝，交叉專業和學科類。
系統與大系統技術
系統與大系統技術類學科包括通信、廣播、電視、雷達、遙感技術、導航、電子對抗、計算機等電子系統，以及綜合多種系統技術的大型電子系統。它們的共同特點是用電子學方法實現具有某一種或多種社會和軍事應用的功能。
其中計算機是電子學中最大的一個分支學科，它是用電子學方法實現數值計算、邏輯作業、數據處理、過程控制、信號與信息處理、計算機輔助設計、專家系統等的原理、技術和系統，包括各種計算機硬件和軟件等。通信是以電子學方法，實現從點到點（人與人、人與機器或機器與機器）的信息傳輸的原理、技術和系統。廣播是將語言、音樂同活動與靜止的圖像、文字向公眾播發，并由公眾接收、錄放的原理、技術和系統。
基礎理論與基礎技術
基礎理論與基礎技術類學科包括電子線路與網絡分析、微波、天線、電波傳播、測量、電源、顯示技術、信號處理、信息論、自動控制原理、可靠性理論等。它們是構成功能性電子系統所需的各種技術手段或基礎理論。
其中電子線路與網絡是由電子元件和電子器件組成的功能性電子單元。電子線路有線性的非線性的、模擬式、脈沖式和數字式幾大類，能實現濾波、頻率平衡、振蕩、放大、調制、變頻、脈沖形成、開關、移位、記憶、計數等多種功能。微波技術是有關特高頻、厘米波、毫米波等的傳輸、輻射、測量和應用等的理論和技術。
元件、器件、材料與工藝
元件、器件、材料與工藝類包括固態電子器件與集成電路、真空電子學、電子元件、電子材料及有關生產技術等。它們主要研究電子學相關的元件、器件、材料與工藝，其為電子學的物理基礎。
其中，半導體與集成電路是研究半導體性能并加以利用的一門科學技術，包括半導體物理、半導體工藝、半導體分立器件和各類集成電路器件。真空電子學是研究帶電粒子（電子、離子）在真空或氣體中運動時與場和物質相互作用規律并加以利用的一門科學技術，包括電子物理、電子管工藝和各種類型的電子管等。電子元件是構成汽車傳感器的基本單元，它通常分為有源元件和無源元件兩類，但是，電子元件一般指無源元件。
交叉專業和學科類
在量子、核科學以及空間科學等領域，電子學與其相互交叉，形成了許多新的分支學科，例如量子光學、核電子學、空間電子學、生物與醫學電子學、射電天文學與雷達天文學等。
其中，量子電子學是利用物質內部量子系統能級間的受激輻射現象，放大或產生相干電磁波，并研究這一過程的應用學科。按習慣說，激光技術也是量子電子學的主要內容。核電子學主要研究核科學、核技術和高能物理實驗中有關核輻射和粒子探測的電子學技術，研究核爆炸和外層空間輻射對電子系統的影響，以及抗輻射加固技術等。
與其它學科的聯系
隨著當代學科的發展，電子學與越來越多的學科產生聯系，例如計算機科學與技術、光子學、分子生物學等。
計算機科學與技術
計算機科學是在數學、電子學（特別是微電子學）、磁學、光學、精密機械等多門學科的基礎之上設立。電子學在其中發揮了重要的作用，作為電腦中最重要核心半導體芯片就是應用了電子學的相關內容。
計算機科學是研究計算機及其周圍各種現象與規模的科學，主要包括理論計算機科學、計算機系統結構、軟件和人工智慧等。計算機技術則泛指計算機領域中所應用的技術方法和技術手段，包括計算機的系統技術、軟件技術、部件技術、器件技術和組裝技即理論計算機科學、計算機系統結構、計術等。計算機科學與技術包括五個分支學科，算機組織與實現、計算機軟件和計算機應用。
光子學
光子學的誕生可以追溯至1906年，阿爾伯特·愛因斯坦提出了“光子"（或稱“光子"）（Photon）的概念；1917年，愛因斯坦提出了“受激發射”的概念；1946年，英國科學家D.蓋伯發明全息攝影技術；1958年，湯斯與A.L.肖洛將微波受激輻射的原理推廣到紅外和光頻段。1960年激光誕生，激光在高速攝影術中的應用，促進了高速攝影術的巨大發展，從而導致了“光子學”概念的誕生。激光器的發明也為后來的高密度大容量信息存儲技術奠定了基礎。
在電子學中，部分電子線路采用了光學技術。如像光耦合器等，與光子學產生了聯系，1960年，激光器的發明，使得能夠利用相干光，光的使用效果就增大了，在電子學中利用光的嘗試就急劇增加。進一步發展了全息照相術，把圖像工學領域也包含進來，光子學與電子學這兩種技術的聯系越發緊密。
分子生物學
生物技術的發展促進了基因工程領域的發展，其不再僅局限于生物學領域，而是與電子學相結合，通過研制生物芯片等來研究生物的電學特征。其中生物芯片是利用生物高分子作為BOBBIN，包裹與穩定具有半導體功能的特殊有機化合物從而制造成具有集成電路功能的電子元件。生物芯片可用于制造邏輯單元和記憶單元。利用電子計算機輔助設計蛋白質的結構，采用重組脫氧核糖核酸技術來生產這類蛋白質，為生物芯片的制造開了新途徑。
生物芯片亦可應用于醫學方面，未來可能的應用如植入到人腦內防治失明和耳：植入心臟，調節心臟的跳動；植入血管，調節藥物的釋放；植入體內，控制假肢的活動等。
實際應用
通訊領域
電子學的數字電路電子元器件被廣泛應用于移動通信系統、固定電話交換機、光纖通信系統、衛星通信等領域。從模擬通信到數字通信，從2G、3G到5G、6G，以及量子通信等，電子學的發展也提高了通信速率、抗干擾能力，也大幅提高了保密性。
電子學在通訊測量領域不僅可以用于鉆探地球資源，記錄地球的物理特征，同時還可以用于報告蟲災、植物病災、森林火災等突發情況，它在飛機和輪船的通訊和導航系統中也發揮了重要作用。
電子學還在軍事通信領域方面有所應用，比如軍事衛星、電子竊聽系統以及記錄全體公民個人資料的計算機中心均使用到了電子學。在軍事相關的電子對抗、遙感遙測、情報處理、隱身技術、數字地圖、導航與定位、新概念武器、系統綜合和實戰模擬等方面相關信息化設備也使用到了電子學。
計算機領域
電子學的發展也促進了電子技術的進步，它提高了計算機的信息處理能力，降低了功耗，也較大提了運算速度。隨著嵌入式計算機的發展，各種如便攜的手持、穿戴等物聯網設備的技術也獲得了迅速發展。
在未來的發展趨勢中，光子計算機、分子計算機以及量子計算機也是電子學涉及的交叉學科所研究的重點。其中光子計算機利用光子取代電子進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長的光表示不同的數據，可快速完成復雜的計算工作。制造光子計算機，需要開發出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學晶體管。生物計算機是以生物芯片為器件的計算機。生物芯片是由生物工程技術產生的蛋白質分子為主要原料的器件。這種芯片具有巨大的存儲能力，處理速度要比當今的計算機快10萬倍，而能量的消耗僅有普通計算機的十分之一。所謂量子計算機，是指處于多現實態的原子進行運算的計算機，這種多現實態是量子力學的標志。與傳統的電子計算機相比，量子計算機解題速度快，存儲容量大，搜索功能強和安全性較高。
自動化領域
電子學是發展自動化的關鍵，電子控制器可以替代繁瑣的手工操縱，例如在鐵路運輸中，可以使用電視和電子計算機來控制貨車編組場，同時還可以通過電子控制裝置操控無人駕駛火車。其它例如交通信號燈的自動計時、礦車的自動開采與加工、機床的數控、發電廠控制、醫院里病人醫療情況的自動監護、動植物生長的監視都是電子學在自動化領域的應用。
天文領域
由于在天文研究中需要探測各種天體在各個波段的電磁輻射，并精確測量輻射的基本性質，進而分析和研究天體的物理狀態，比如溫度、壓強、電子密度、磁場強度、運動速度等等，這些都離不開電子學中的電子技術和信號分析技術。
電子學在天文學領域也有一只單獨的分支——射電天文學，它通過收集和會聚天體的電磁波，在這之中，所有望遠鏡主鏡的指向控制系統是與電子學有關的計算機控制系統。其中的射電望遠鏡，它專門用于收集天體的無線電。
參考資料 >