1.1 物理学基础

电子科学与技术的基础，是自然界的电磁现象。正如物理学所指出的，电磁现象是一种自然力的表现。所以，说到底，电子科学与技术就是研究电现象及电学参数相互作用的一门科学。与物理学不同，电子科学与技术所研究的是如何把已经发现的物理电磁现象应用到工程实际中，也就是说，如何利用物理电学所提供的各种电现象和电特性。因此，电子科学与技术不属于基础物理的研究领域，而是属于应用技术研究领域。

电子科学与技术中，重点研究各种物理现象应用的领域，包括固体物理学与微电子技术、光电子技术等。这些领域的主要研究内容是提供工程实际的应用技术，研究有关物理电学现象的基本应用原理。例如，如何利用半导体物理的基本定律设计制造相应的半导体器件。这些基本定律和工程分析方法主要反映在电路分析和信号与系统理论中。

物理学中与电子科学与技术相关的分支包括固体物理学、半导体物理学、纳米电子学及量子力学。

1.1.1 固体物理学

固体物理学所研究的是固态物质的物理学基本规律，包括固态物质的结构、能量规律等。固态物质的基本结构属于晶体结构，这种物质叫做晶态物质。由于半导体材料采用的是晶态材料，而在加工制作过程中又需要参入非晶态结构，因此，固体物理的基本规律对电子科学与技术来说是一个十分重要的研究领域。

在电子科学与技术中，固体物理学的基本定律对集成电路和其他一些电子元器件的制造、加工和应用具有决定性的指导意义，因此，固体物理学是电子科学与技术的基础。特别是在建立元器件的电路模型时，必须根据固体物理学所提供的基本概念和参数，才能建立正确的分析模型。由于计算机辅助分析与设计已经成为电子科学与技术和应用电子技术的基本工具，所以，固体物理学的基本概念与参数已经成为电子技术应用分析的基础。

作为电子科学与技术的基础，应当十分注意固体晶态结构的描述和分析方法，以及非晶态结构的描述和分析方法。这些是分析电子元器件结构、物理特性和工程参数的重要基础。

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态的固体。

固体物理学的基本问题包括：

● 固体的组成成分。

● 固体中的原子是如何排列与结合的。

● 固体结构的形成原因。

● 特定固体中的电子和原子所具有的运动形态。

● 固态物质的宏观性质与其内部微观运动形态之间的关系。

● 固体的工程应用。

● 研制用于工程实际的新固体。

1.晶体

在较长的时间里，固体物理学的主要研究对象是晶体。晶体的结构及其物理、化学性质同晶体键合的基本形式有密切关系。从结构上看，通常晶体结合的基本形式可分成高子键、金属键、共价键、分子键和氢键等。例如，主要半导体材料中的单晶硅就具有共价键基本结构，如图1.1-1所示，图中双线“=”代表晶体结构中的键。

键实际上反映了原子之间的结构关系。根据原子核理论，这种键合是通过电子形成的。因此，固体中电子的状态和行为，是了解固体的物理、化学性质的基础。固体中每立方厘米内有1022个粒子，这些粒子之间靠电磁相互作用联系。在固体中，粒子之间不同的耦合方式，导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，从而形成了固体在物理性质上的差别。这些固体的物理性质差别，就是工程中材料的应用和分析基础。

如果在晶体中存在杂质和缺陷，则对固体材料的技术性能产生较大的影响。在工程实际中，纯净的固体往往不能满足工程对材料的特性要求，因此，需要根据具体的需要，对纯净晶体有控制地掺入杂质，工程上叫做掺杂。半导体材料的电学、发光学等特性，就是依赖于其中掺入杂质来实现的。在电子器件的制造材料中，特别是大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质是极为重要的。

2.非晶体

非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同非晶态固体的原子结构、电子态及各种微观过程有密切联系。从结构上看，非晶态固体有成分无序和结构无序两类。成分无序是指在具有周期性的固态晶体点阵位置上，随机分布着其他原子。结构无序是指晶体链的周期性被完全破坏，晶格点阵失去意义，但相邻原子间还存在有一定的类似于晶体的配位关系，即存在短晶链（类似于晶体的情形）。

与晶体相比较，非晶体具有特殊的物理性质。例如，非晶体的电阻率一般较晶体要大。非晶体的特点在电子元器件及集成电路制造中有着重要的应用，如用来制造集成电阻、集成电路的连接点等。

1.1.2 半导体物理学

半导体物理学对于从事有关半导体材料研制和集成电路加工制作，以及对半导体元器件进行模型分析，是十分重要的基础。

现有的半导体材料都属于晶态固体物质，就是所谓的单晶材料。单晶材料的基本特征和物理学特性及参数，对器件的加工制造十分重要。因此，从半导体元器件设计和制造的角度对半导体材料的各种物理特性进行研究，形成了半导体物理学。半导体物理学是现代电子技术的基础之一。研究半导体物理学的目的，是提供材料加工和集成电路制造的基本规律和分析理论。

半导体物理学的主要研究对象包括：

● 半导体的晶格结构和电子状态。

● 杂质和缺陷能级。

● 载流子的统计分布。

● 载流子的散射及电导问题。

● 非平衡载流子的产生、复合及其运动规律。

● 半导体的表面和界面—包括 PN 结、金属半导体接触、半导体表面及 MIS 结构、半导体异质结。

● 半导体的光、热、磁、压阻等物理现象。

● 非晶半导体。

1.1.3 纳米电子学

在拉丁文中，Nano是“矮小、侏儒”的意思。纳米（nanometer，nm）是一个长度的数量级单位，1nm=10−9m，大约是一至十几个原子直径的长度，是非常微小的空间尺度。

如果材料的最小直径尺寸为 0.1～100nm，则就把这种材料定义为纳米材料。如果集成电路的加工尺寸（最细的加工线条宽度）处于0.1～100nm之间，则称为纳米级集成电路。

纳米技术涵盖了微型化技术、光刻技术、电光学技术、激光技术、分子生物学等工程技术领域。同时，纳米技术的主要研究领域包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学，以及纳米力学等。

随着集成电路制造技术的发展，纳米电子学已成为近年来电子科学与技术的一个重要研究领域。之所以需要研究纳米电子学，主要是如下几个方面的原因：

1.纳米技术研究的必要性

（1）纳米尺寸下的强电场作用。根据物理电学，不同电极之间的电场强度与电极之间的距离有关。当电极之间的距离进入纳米尺寸后，电场强度会迅速增加。例如，如果集成电路中的两个不同电极相距 1μm，电极之间的电压为 1V，则电极之间绝缘材料中的电场强度为1/10−6 =106 V/m。如果两电极间的间距为 10nm，则电极之间绝缘材料中的电场强度为108V/m。由此可知，进入纳米尺寸后，电子元器件的内部将出现强电场。这种强电场对元器件的结构有什么影响，以及如何解决纳米尺寸下电子元器件、特别是集成电路内部的电路结构，是电子科学与技术中的关键问题之一。

（2）纳米尺寸下电子元件的热耗散。与强电场问题相类似，纳米尺寸下的集成电路中，元件的密度非常高。由于每个元器件都消耗一定的能量，因此，会在纳米尺寸的电路中引起热能的集中，从而形成热耗散问题。如果不解决热耗散问题，纳米尺寸下的集成电路器件就无法正常工作。

（3）纳米尺寸下半导体加工结果的非均匀性。根据半导体材料加工的基本特点，材料的加工及半导体元器件的加工过程中不可避免地存在非均匀性，也就是不可能完全按照设计要求对材料进行加工。例如，在集成电路制作过程中需要对一些部分通过扩散掺入杂质，由于纳米尺寸接近杂质的原子尺寸，因此会出现扩散的不均匀性。这种不均匀性对所加工的集成电路会形成怎样的影响，是集成电路设计和制造中的关键问题之一。

2.纳米技术下，集成电路设计的相关问题

从电路设计制造的角度看，微米及深亚微米的集成电路在工程和理论上存在如下的差别，这些是在集成电路设计和相关电路设计中需要考虑的：

（1）低电压工作条件下的电路结构。微米及深亚微米（100～180nm）工艺条件中，所使用的电源电压可以在 1.2V 以上，集成电路中的绝缘层或不同的功能区域之间的电场强度还处于可以容忍和安全的范围内。但使用纳米技术时，正如上述所述，会出现极高的场强，这会形成不同区域之间的绝缘层遭到破坏，同时，还会引起相应的泄漏电流。这些都要求纳米技术制造的集成电路必须使用超低电压（如0.7V或更低）。目前，超低电压条件下的电路结构设计，是基于纳米工艺的集成电路设计中的重点研究对象。

（2）电源波动抑制。由于绝大多数电子设备使用的是直流电源，并且对直流电源的波动比较敏感，因此电子器件或电子设备的电源波动抑制能力一直是工程中的一个重要设计参数。在微米技术中，一般使用附加的电路（如电流镜电路等）来抑制电源波动对器件工作的影响。由于微米技术中的电源电压相对比较高，这为器件自身电源抑制能力提供了空间，所以，微米技术中比较容易实现电源波动的抑制。由于纳米技术条件下设计的集成电路或其他器件只能使用很低的电源电压，因此，纳米技术条件的电源波动成了一个比较突出的技术问题。这是纳米技术电路和电路系统设计和使用中必须关注的问题。

（3）低功耗设计。上面已经指出，由于纳米技术提高了集成电路的元件密度，从而形成了能量密度的迅速增加，突出了集成电路的散热问题。从固体物理学和半导体物理学的角度看，与微米级电路相比较，纳米级电路的功率密度提高了几个数量级，所以，在设计相应的电路时必须考虑功率损耗的问题。另外，随着绿色电子技术概念的提出，要求电子系统的功率损耗越小越好。对于纳米技术的电子器件来说，其单个功能电路的功率损耗要比微米级电路小很多，但是由于集成度迅速增加，也会引起芯片的功率损耗增加。因此，传统的功能/功耗比概念已经不能满足信息系统低功耗的要求。

纳米电子学所研究的是在纳米尺寸限制条件下，电子器件基本结构，以及半导材料的基本特性，从而为集成电路在纳米条件限制下的设计、分析和制造提供理论基础。

3.纳米电子学研究的重点问题

（1）碳管（Carbon Nanotubes）问题，包括制备方法、碳管特性、碳管电极、生物传感器、化学传感器、碳管逻辑电路等。

（2）分子电子学（Moleculer Electronic）问题，包括有机分子综合、特征分析、器件结构等。

（3）无机纳米线（Inorganic Nanowire）问题。

（4）蛋白质纳米管（Protein Nanotubes）问题，包括综合技术、提纯技术等。

（5）计算纳米技术（Computational Nanotechnology）问题，包括机制、温度性质、电子学性质、基本器件的物理特征与设计方法、基本构成、基本传感器、纳米线中的传输和热电效应等。

（6）量子计算（Quantum Computing）问题，包括信息表达方式与方法、计算结构等。

（7）计算量子电子学（Computational Quantum Electronics）问题，包括基于非平衡态格林函数的器件仿真。

（8）计算光电子学问题（Computational Optoelectronics）。

（9）计算处理建模问题（Computational Process Modeling），包括纳米电子学、非CMOS电路、结构及可重置系统等，量子计算、纳米磁性。

1.1.4 量子力学

当集成电路制造尺寸小于100nm时，量子效应就成为集成电路工作的基本支配规律。尤其是随着集成电路工作速度的不断提高，当信号波长与元件尺寸接近时，纳米效应所引起的现象会成为电路基本特征。因此，电子科学与技术必须考虑量子力学的基本规律和分析方法。

经典物理学提供了有关自然界的宏观物理规律，它所涉及的都是与物质基本结构没有直接关系的基本现象，以及对这些现象的解释。随着科学技术的发展，经典物理学已经无法解释基本粒子，以及基本粒子运动规律的现象。量子力学（也是量子物理学）的目的，是对物质在基本粒子层次上进行研究，通过对量子现象的研究分析，提供量子水平的基本运动规律。由于量子力学所研究的是量子水平的基本物理学规律，因此，当电子科学与技术发展到纳米以下水平，以及信息表示方法必须实现突破时，量子力学就成为了新的研究方法和手段。特别是近年来量子信息理论与技术的发展，为电子科学与技术提供了新的研究方向和研究领域，不仅是降低电路的体积，更主要的是突破了现有理论对设计原理、制造工艺的限制，使得电子科学与技术能为其他工程技术提供更好的应用电子技术。

量子力学涉及了整个物理学的研究领域，尤其是在固体比热容、黑体辐射、光电效应及原子光谱等方面，更是只有依靠量子力学的方法才能对所观察到的现象提供正确的解释，从而提供工程应用的基础。

必须注意，物理学基本原理和基本规律是电子科学与技术的基础，电子科学与技术的所有学科都是建筑在物理学定律的基础之上的，而电子科学与技术的每一个新的发明，都是对物理学原理应用的结果。因此，掌握物理学的基本定律，理解物理学的基本现象是电子科学与技术，以及应用电子技术的学习基础。