現代電子產品的核心:半導體與量子力學原來這麼簡單!

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北極星
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具体描述

★ ☆ ★ 迷你電子世界的大解密,啟動您的半導體探險之旅! ★ ☆ ★

  在我們的日常生活中,幾乎所有的家電產品都有半導體,但你知道,其實它的運作方式與量子物理有關嗎?即便大家可能都聽過半導體(或稱晶片),但對於其運用或相關原理可能都不是那麼清楚,本書便是想要以淺顯易懂的方式,來讓大家了解半導體是什麼。

  但半導體本身涵蓋的知識非常龐大,想要透過一本書談完根本難如登天,因此本書只會關注「基本問題」,意即想要入門半導體需要學習哪些基本知識,從中了解重要梗概,進而掌握本質。本書分成兩個部份,第一部份屬於半導體應用,第二部份屬於半導體原理。內容上從積體電路與半導體的基礎開始談起,涵蓋了記憶體、元件概說、量子物理學、量子化學、晶體科學,進而到半導體的材料與製程,最後則談論到晶片漏洞的資安問題。

  本書以簡單易懂的語言描述,並用生動的譬喻,使讀者更容易理解半導體的原理,也讓這些艱深的知識變得輕鬆有趣,無論是剛接觸半導體的初學者,還是對其有一定了解的人士,相信都能在本書中找到專屬的趣味。現在就讓我們一起探索半導體的奧妙,並感受科技的影響力吧!
《穿越数字丛林:从蒸汽到芯片的科技脉络》 本书旨在带领读者进行一次宏大而精妙的科技之旅,追溯人类文明史上那些决定性时刻,探究驱动现代社会运转的底层逻辑与技术演进的宏伟图景。我们不深入探讨某一特定领域(如半导体或量子力学),而是将目光投向一个更为广阔的维度:科技如何从最初的物理现象探索,逐步演化为影响我们日常生活的复杂系统。 第一部分:原始动力与工业的黎明 在漫长的历史中,人类对能量的掌控是文明发展的核心驱动力。本部分将从早期文明如何利用水力、风力开始,逐步过渡到工业革命的爆发。我们将详细考察蒸汽机的发明如何彻底改变了生产力模式,以及煤炭作为主要能源如何塑造了地理政治格局和社会结构。 1. 机械的初探:从钟表到纺织机:解析早期机械装置的设计哲学与工作原理,重点讨论齿轮、杠杆等基本机械原理在早期工业中的应用,以及它们如何为后来的复杂机器奠定基础。 2. 热力学的基石:介绍热力学第一和第二定律的发现过程,这些定律不仅是物理学的重大突破,更是驱动所有内燃机和动力系统的理论基础。我们将探讨卡诺循环的意义,以及它如何指导了效率的提升。 3. 电力时代的序曲:详细叙述法拉第、麦克斯韦等先驱在电磁学领域的奠基性工作。重点分析发电机和电动机的工作原理,以及交流电与直流电之争如何塑造了全球的电力基础设施。 第二部分:信息捕获与传播的革命 工业革命解决了“力量”的问题,而接下来的挑战是如何更有效地处理和传播“信息”。本部分将聚焦于人类如何从机械通讯过渡到电子通讯,最终构建起信息社会的基础。 1. 电报与电话:距离的消融:分析电报系统的编码与解码机制,以及电话如何首次实现了声音的远距离实时传输。探讨这些技术在商业、军事和个人社交中的革命性影响。 2. 电磁波的掌控:无线电的诞生:深入探讨马可尼如何将理论转化为实践,实现跨洋通讯。无线电技术如何催生了广播娱乐,并成为军事通讯的命脉。 3. 光学的延伸:摄影与电影:介绍感光材料的化学原理,以及相机如何开始记录“真实”。分析电影技术的发展历程,从早期的幻灯片到动态影像的捕捉与播放,展示了人类对视觉信息记录的渴望。 第三部分:材料科学的隐秘战争 任何复杂技术的实现,都离不开对新材料的发现与应用。本部分将跳出电子学范畴,考察那些默默无闻却至关重要的材料科学突破。 1. 合金的进化:讨论钢铁制造工艺的改进(如贝塞麦转炉法),如何使得建造摩天大楼、跨海大桥成为可能。解析铝、钛等轻质高强材料在航空航天领域的关键作用。 2. 聚合物的时代:从天然橡胶到合成塑料的跨越,详细阐述高分子化学的基础概念,以及塑料如何以其廉价、易塑的特性渗透到生活的方方面面,从包装到绝缘材料。 3. 陶瓷与复合材料的未来展望:探讨先进陶瓷材料(如氮化硅)在极端温度和高耐磨性应用中的潜力,以及碳纤维等复合材料如何重新定义结构强度与重量比。 第四部分:计算思维的萌芽与发展 在电子产品出现之前,人类对“计算”的追求从未停歇。本部分着眼于计算思维的抽象化过程。 1. 从算盘到差分机:回顾古代的计算工具,特别是巴贝奇分析机这一里程碑式的概念设计。解释机械计算机的核心思想——如何用物理运动来模拟逻辑运算。 2. 布尔代数与逻辑电路的雏形:介绍乔治·布尔的代数系统如何为所有现代数字逻辑奠定理论框架。探讨早期继电器电路如何被用来实现简单的逻辑门(与、或、非)。 3. 冯·诺依曼架构的诞生:阐述存储程序概念的革命性意义。分析指令集、内存和中央处理单元的协同工作方式,这是所有现代电子设备能够执行复杂任务的根本结构。 第五部分:系统集成与复杂工程 科技的真正威力在于集成与规模化。本部分将探讨如何将分散的技术整合成一个高效、可靠的复杂系统。 1. 标准化与互操作性:讨论统一标准的建立(如计量单位、通信协议)对于全球贸易和技术协作的决定性作用。 2. 可靠性工程:在系统变得越来越复杂时,如何确保它们在面对故障时仍能继续运行。介绍冗余设计、错误检测与纠正机制在关键基础设施中的应用。 3. 软件的抽象层:探讨操作系统、编译器等软件工具如何将底层硬件的复杂性隐藏起来,使得应用开发者可以专注于解决实际问题,极大地加速了技术的普及速度。 结语:技术的连续性与未来方向 总结贯穿全书的技术演进主线,强调每一次重大的技术飞跃,都不是凭空产生的,而是建立在前辈们对物理、材料和逻辑的深刻理解之上。展望未来,我们将思考在能源、材料和信息处理领域,人类的下一个“蒸汽机时刻”可能出现在哪里,以及如何以更宏观的视角去理解和驾驭科技的巨大力量。本书提供了一个不偏不倚、跨越学科的视角,去理解我们赖以生存的这个科技世界是如何一步步被构建起来的。

著者信息

作者簡介

北極星

 
  一群浪人,愛好資訊安全與駭客技術。
 
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图书目录

01 積體電路與半導體基本元件概說
1.1 引言
1.2 類比訊號與數位訊號的簡介
1.3 積體電路的分類 - 類比積體電路
1.4 積體電路的分類 - 數位積體電路
1.5 積體電路的分類 - 混合訊號積體電路
1.6 場效電晶體簡介
1.7 金屬氧化物半導體場效電晶體的工作原理簡介
1.8 金屬氧化物半導體場效電晶體的斷路狀態
1.9 金屬氧化物半導體場效電晶體的通路狀態
1.10 金屬氧化物半導體場效電晶體的總檢討
1.11 CMOS 概說
1.12 CMOS 的工作原理概說
1.13 CMOS 於邏輯閘上的電路實現
1.14 CMOS 的應用- 超級電腦.

02 半導體記憶體概說
2.1 引言
2.2 記憶體的類別
2.3 動態隨機存取記憶體DRAM 概說
2.4 DRAM 的工作原理 - 寫入
2.5 DRAM 的工作原理 - 讀取
2.6 DRAM 的類型
2.7 DRAM 總檢討
2.8 靜態隨機存取記憶體SRAM 概說
2.9 SRAM 對於資料的保存方式
2.10 SRAM 對於資料的讀取與寫入
2.11 可程式化唯讀記憶體概說
2.12 可擦拭可規劃式唯讀記憶體概說
2.13 電子抹除式可複寫唯讀記憶體簡介
2.14 量子穿隧效應概說
2.15 快閃記憶體概說
2.16 快閃記憶體的工作原理簡介 - 寫入
2.17 快閃記憶體的工作原理簡介 - 消除
2.18 快閃記憶體的工作原理簡介 - 讀取
2.19 快閃記憶體的多位元設計

03 與CPU有關的半導體元件概說
3.1 引言
3.2 CPU 的功能簡介
3.3 邏輯閘與IC 之間的基本關係
3.4 半加器概說
3.5 全加器概說
3.6 超前進位加法器概說
3.7 正反器概說
3.8 RS 正反器概說
3.9 JK 正反器概說
3.10 時脈訊號概說
3.11 時脈訊號運用於JK 正反器
3.12 T 型正反器概說
3.13 D 型正反器概說
3.14 計數器的簡介
3.15 多工器與解多工器概說
3.16 編碼器與解碼器概說
3.17 微處理器簡介

04 量子物理學簡介
4.1 引言
4.2 粒子的基本概念
4.3 雙狹縫實驗概說
4.4 電子的雙狹縫實驗
4.5 電子呈現波的關鍵證據
4.6 普朗克黑體輻射定律概說
4.7 電子在同一時間出現在不同地方
4.8 量子物理學當中的機率概說
4.9 薛丁格的貓簡介
4.10 自旋簡介
4.11 塌縮簡介
4.12 電子波的物理意義
4.13 在雙狹縫實驗中對電子觀察
4.14 測不準原理概說
4.15 EPR 悖論簡介

05 量子物理學的課後補給
5.1 引言
5.2 光電效應概說
5.3 功函數概說
5.4 物質波概說
5.5 波函數的物理意義
5.6 關於粒子與電子雲的解釋
5.7 測量所帶來的最大難點
5.8 零點振動概說
5.9 再論量子穿隧效應
5.10 全同粒子
5.11 電子組態簡介
5.12 細論軌域

06 量子物理學的進階基礎
6.1 薛丁格方程式概說
6.2 薛丁格方程式解的基本概念
6.3 盒中粒子一
6.4 盒中粒子二
6.5 盒中粒子三
6.6 盒中粒子四
6.7 盒中粒子五
6.8 環上粒子一
6.9 環上粒子二
6.10 光譜概說
6.11 基態與激發態概說
6.12 發射光譜概說
6.13 對於原子的分類
6.14 氫原子光譜概說
6.15 波耳頻率條件
6.16 能階概說
6.17 譜線方程式與游離能
6.18 軌域概說
6.19 量子數概說
6.20 量子數與原子結構概說
6.21 S 軌域概說
6.22 P 軌域概說
6.23 d 軌域概說
6.24 自旋與包立不相容原理
6.25 電子組態的排列原理
6.26 離子的電子組態

07 量子物理學的進階應用 - 量子化學概論
7.1 分子軌域與共價鍵概說
7.2 氫分子的波函數表示
7.3 位能曲線概說
7.4 甲烷的基本簡介-
7.5 提昇與混成
7.6 混成與波函數
7.7 電負度與氫鍵
7.8 共振
7.9 原子軌域線性組合概說
7.10 成鍵軌域與反鍵軌域
7.11 化學鍵的基本意義與種類
7.12 離子鍵的基本概念
7.13 共價鍵的基本概念
7.14 共價鍵 - σ 鍵的基本概念
7.15 共價鍵 - π 鍵的基本概念
7.16 共價鍵 - δ 鍵的基本概念
7.17 共價鍵- 極性共價鍵與非極性共價鍵的基本概念
7.18 金屬鍵的基本概念
7.19 σ 軌域
7.20 π 軌域
7.21 δ 軌域
7.22 φ 軌域
7.23 氧氣分子的電子組態
7.24 鍵級
7.25 順磁性與反磁性概說

08 晶體科學概說
8.1 晶胞概說
8.2 單晶、多晶與非晶概說
8.3 空間晶格- 晶胞概說
8.4 空間晶格- 基本胞概說
8.5 立方晶系概說
8.6 晶格概說
8.7 晶體方向概說
8.8 米勒指數與晶面概說
8.9 晶體概說
8.10 晶粒與晶界概說

09 半導體材料概說
9.1 引言
9.2 能帶結構概說
9.3 元素週期表當中的半導體材料
9.4 元素型半導體材料 - 鍺的簡介
9.5 元素型半導體材料 - 矽的簡介
9.6 化合物型半導體材料簡介
9.7 化合物型半導體材料 - 砷化鎵簡介
9.8 化合物型半導體材料 - 氮化鎵簡介
9.9 化合物型半導體材料 - 磷化鎵簡介
9.10 化合物型半導體材料 - 磷化銦簡介
9.11 化合物型半導體材料 - 碲化鎘簡介
9.12 化合物型半導體材料 - 硫化鉛簡介
9.13 化合物型半導體材料 - 氧化鋅簡介
9.14 化合物型半導體材料 - 碳化矽簡介
9.15 合金型半導體材料 - 矽鍺簡介

10 半導體製程概說
10.1 引言
10.2 生長晶體概說
10.3 積體電路的關鍵製程簡介
10.4 薄膜製程簡介
10.5 微影製程簡介
10.6 從數位邏輯設計到半導體製程
10.7 摻雜製程簡介
10.8 熱處理製程簡介
10.9 CMOS 的製程簡介
10.10 晶圓測試簡介
10.11 積體電路的封裝簡介

11 其他常見的半導體元件
11.1 引言
11.2 太陽光電系統概說
11.3 認知電腦概說
11.4 發光二極體概說
11.5 異質接面與同質接面概說
11.6 雷射概說
11.7 半導體雷射概說
11.8 功率半導體概說
11.9 感光元件概說
11.10 薄膜電晶體簡介

12 半導體與晶片漏洞概說
12.1 硬體木馬鍵盤紀錄器概說
12.2 漏洞概說
12.3 硬體漏洞的經典範例 - 熔毀Meltdown 概說
12.4 硬體漏洞的經典範例 - 幽靈Spectre 概說
12.5 單晶片概說
12.6 單晶片系統與硬體木馬概說
12.7 半導體木馬簡介
12.8 掃描電子顯微鏡簡介
12.9 積體電路的逆向工程概說

图书序言

  • ISBN:9786267273470
  • 規格:平裝 / 368頁 / 17 x 23 x 1.8 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读



  在現代社會當中,半導體可以說是深深地影響著人類的生活,舉凡我們日常生活中所用的家電產品,甚至是你玩的手機或電腦等3C產品,幾乎每一樣都跟半導體脫離不了關係。

  很多人都聽過半導體,尤其是打開新聞,幾乎天天都有半導體(或晶片)的相關消息,但現在問題來了,聽過歸聽過,但知道這裡頭道理的人卻不多,這主要是因為半導體是一門涉及到諸多領域的專業技術,也因此,作者試著透過本書,希望以淺顯易懂的方式來讓大家稍微地了解一下半導體到底是個什麼樣的東西。

  半導體這門技術所涉及到的學科很廣,就半導體的研發製造與實際應用上,除了有物理、化學、化工與材料等專業領域之外,更涵蓋了電子、電機、通訊與資工;而在人文社會上,半導體更涉及到了軍事、國防、商業與政治等諸多領域,簡而言之,半導體所涉及到的範圍之廣那幾乎是無法估計。

  想掌握半導體,那要學習的東西可多著,而我不得不說,這根本看不盡也學不完,一個人在一生之中不可能學完與半導體相關的所有知識,例如以IC來說,這世界上的IC實在是太多了,但話雖如此,IC的種類雖然繁多,但其根本規則依然是有律可循,本書的重點並不是教各位這世界上有多少種從半導體所衍伸出來的相關產品,而是告訴大家,想要入門半導體,你必須得具備什麼樣的基本知識,並且從中了解大概與掌握本質,正所謂萬變不離其宗,變化再多端的產品,一定也逃不出基本的原理原則,而本書講的,就是這個原理原則。

  所謂的科學,指的是一種具有系統性的知識體系,而每一門科學都有其基本問題在,而這些基本問題,宛如修得絕世武功之前的蹲馬步般地重要,我認為,在學習基本問題之時,除非你學習的對象是數學,不然不需要去探討什麼高深學理與數學運算,那完全不切實際,我們先了解我們要學習的對象是什麼,並且一步一步地把基礎觀念打好這樣就夠了。

  本書的定位是基本問題,基本問題的意思是說,想要入門半導體需要學習哪些基本知識,而為了方便大家學習,我把半導體的學習領域給分成了兩大部分,分別是:

  第一部分:屬於半導體的應用,內容涉及到電子、電機、通訊與資工等領域。
  第二部分:屬於半導體的原理,內容涉及到物理、化學、化工與材料等領域。

  而我在前面也說過,半導體不是只涉及到上面那兩個部分而已,同時也涉及到軍事、國防、商業與政治等人文領域,所以如果各位在閱讀完本書之後,對於半導體在人文領域方面有興趣的話,建議可以去找找這部分的書籍來閱讀補充,如此一來,更可以擴大各位對於半導體的認知與視野。

  對有學習過半導體的讀者們來說,我相信很多人的學習經驗應該是不太愉快,因為除了得了解半導體物理學之外,事前還得先修過量子物理學(或者是量子力學),我知道量子物理學是一門非常抽象而且又深奧難懂的學問,但由於量子物理學發展了固態物理學,並且預言了半導體的存在,為日後的電晶體提供了一個理論基礎,所以半導體能夠有今天,完全可以說是拜量子物理學所賜。

  再加上近年來,國外已經有廠商成功地開發出以量子物理學或量子力學為基本原理的量子計算機,量子計算機在執行原理上與傳統的半導體完全不同,而想要學習量子計算機之前,就必須得先學習量子物理學與量子力學,但要學習這兩門學問那談何容易啊,可不是隨手摸個兩本科普的書就能夠學會。

  在我當學生之時,只要一講到量子這兩個字,別說學生,就連老師也逃之夭夭,我不得不說,量子物理學與量子力學真的是非常困難,而且相當難以學習,就連這方面的許多專家也不一定能夠弄清楚這量子物理學到底是怎麼一回事。

  緣此,我特地在本書當中加上了量子物理學的基本知識,至於數學方面則是盡量用簡單的方式來描述,所以本書沒有那麼難,請各位帶著輕鬆愉快的心情來閱讀即可,如果真的遇到不懂的地方可暫時先跳過,等全書讀完一次之後再來重新閱讀。

  由於本書作者的學識相當有限,再加上年紀漸長,且本書主題異常困難並橫跨多個領域,寫作中常感力不從心,所以本書是在作者心力交瘁之下所完成,因此書中難免有錯,以及對於這種主題難度甚高的書籍來說,我想我實在是很難寫出一本百分之百完全都沒有錯誤的書籍,因此書中難免有錯誤與不足之處,關於這點,還請各位讀者們多多包涵,而書中錯誤的部分,我會在本書上市後放到本書社團上當勘誤表讓各位下載使用:

  www.facebook.com/groups/TaiwanHacker/

  半導體與量子物理學的知識實在是無止無盡,所以,我也會在本書的社團上繼續撰寫有關於半導體與量子物理學的相關基本知識,有興趣的各位可以下載來看,最後,各位也可以來信與作者交流:

  polaris20160401@gmail.com

北極星代表人

用户评价

评分

对于一本技术类书籍,我最看重的是它的‘可读性’与‘深度’之间的平衡。很多时候,为了追求深度就牺牲了可读性,反之亦然。这本书如果能成功地将“半导体”这一硬核主题与“量子力学”这一抽象概念结合,并且承诺“简单”,那么它一定需要高超的编辑技巧。我特别期待看到作者如何处理这种跨越尺度的解释——如何用日常的语言来描述电子在晶格中的‘集体行为’,以及量子效应如何不再是实验室里的奇闻异事,而是我们手机芯片中必须考虑的现实约束。我希望读完后,我不仅能知道我的设备是怎么工作的,还能对未来技术,比如量子计算的潜力,有一个基于严谨物理原理的、不被炒作带偏的理性判断。这本书如果能做到这一点,无疑是一部跨时代的科普杰作。

评分

我一直困惑于一个问题:为什么我们现在的计算能力发展速度如此之快,而基础物理的原理似乎很早就定型了?这本书如果能解答这个“速度差”背后的秘密,那真是太有价值了。我希望它能清晰地展示,从最初的真空管到如今的纳米级芯片,每一步工艺的突破,背后所依赖的物理学洞察力究竟有多么深刻。我不需要看到复杂的数学推导,但我需要看到清晰的逻辑链条:为什么硅是首选?掺杂如何改变了导电性?以及,当尺寸小到原子级别时,量子隧穿效应是如何从一个理论上的干扰,变成一个必须被工程学解决的实际问题的。如果这本书能帮我建立起一个从材料科学到电子工程的完整认知框架,让我能以更专业的眼光去审视电子产品的发展历程,那就完全值回票价了。

评分

我的阅读偏好是那种叙事性强的非虚构作品。如果这本书仅仅是平铺直叙地介绍PN结、能带理论这些基础知识,可能读几页就会感到枯燥。我更希望作者能够构建一个引人入胜的“发现之旅”。比如,可以从晶体管的发明过程中的那些曲折和天才的瞬间讲起,把那些伟大的科学家们塑造成有血有肉的探索者,而不是书本上冰冷的名字。尤其是关于“量子力学”的部分,如果能用一种科幻小说般的想象力,将薛定谔的猫、电子的波粒二象性等概念,无缝对接进半导体器件的逻辑层面,那简直是教科书级别的创新。我希望这本书能让我体会到,人类智慧在驯服自然界最基本规律时所展现出的那种震撼人心的力量。

评分

坦白说,我对市面上那些过于学术化的科普读物往往敬而远之,它们不是公式堆砌,就是用词过于专业,读起来像是在啃一本没有灵魂的教科书。我希望这本关于“现代电子产品核心”的书,能够彻底打破这种沉闷的局面。我期待看到作者如何巧妙地将宏观的应用(比如我们每天用的智能手机功能)追溯到微观的物理本质。如果这本书能像一个经验丰富的工程师在茶水间里,用轻松幽默的语言,结合最新的技术热点,来讲解半导体如何从沙子里“生长”出来,并最终成为集成电路的“心脏”,我会非常喜欢。更进一步说,我希望它能让我对未来科技的发展趋势,比如更小、更快、更节能的计算方式,有一个基于扎实理论基础的、清晰的预判。这种‘知其然,更知其所以然’的阅读体验,才是我最看重的。

评分

这本书的名字乍一看就让人觉得充满了科技感和深邃的理论,但“原来这么简单!”这个副标题又让人充满了期待。我是一个对电子产品充满好奇心的普通读者,平时接触到的无非是手机、电脑这些成品,对于它们内部那些微小的、决定一切的“芯片”到底是怎么回事,心里一直是个大大的问号。我希望能找到一本能把那些晦涩难懂的物理学概念,比如量子力学这种听起来就让人头大的东西,用一种非常直观、贴近生活的方式解释清楚的书。我特别希望作者能用一些生动的比喻,把半导体材料的特性、晶体管的工作原理,甚至更前沿的量子效应,描绘成我能理解的画面。如果这本书能让我看完之后,再拿起任何电子设备,都能带着一种“哦,原来是这样运作的”的豁然开朗的感觉,那就太棒了。我追求的不是成为物理学家,而是能真正理解这个数字时代基石的普通人视角。

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