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電子工学は、物理学の原理を研究し応用して、電子やその他の帯電粒子を操作するデバイスを設計、作成、操作する科学および工学分野です。これは物理学[ 1 ] [ 2 ]および電気工学のサブ分野であり、トランジスタ、ダイオード、集積回路などの能動デバイスを使用して電流の流れを制御および増幅し、交流（AC）から直流（DC）への変換やアナログ信号からデジタル信号への変換など、ある形式から別の形式に変換します。
電子機器は、通信、エンターテインメント、教育、医療、産業、セキュリティなど、現代社会の多くの側面の発展に大きな影響を与えてきました。電子機器の進歩を牽引する主な原動力は半導体産業であり、世界的な需要に応えて、ますます高度な電子機器や回路を継続的に生産しています。半導体産業は世界経済において最大規模かつ最も収益性の高い産業の一つであり、2018年の年間売上高は4,810億ドルを超えました。電子機器産業には、電子商取引など、電子機器やシステムに依存する他の分野も含まれており、電子商取引は2017年に29兆ドルを超えるオンライン売上を記録しました。
1874年にカール・フェルディナント・ブラウンが最初の半導体デバイスである結晶検出器を開発し、 1897年にジョセフ・ジョン・トムソン卿が電子を発見し、その後、小さな電気信号を増幅および整流できる真空管が発明されたことで、電子工学の分野と電子時代が幕を開けました。[ 3 ] [ 4 ] 1900年代初頭にアンブローズ・フレミングがダイオードを、リー・デ・フォレストが三極管を発明したことで、ラジオアンテナからの無線信号などの小さな電気電圧の検出が可能になり、実用化が始まりました。
真空管（熱電子管）は、個々の電子の流れに影響を与えることで電流の流れを制御する最初の能動電子部品であり、電流増幅と整流を利用した機器の構築を可能にし、ラジオ、テレビ、レーダー、長距離電話などを実現しました。エレクトロニクスの初期の成長は急速で、1920年代までには商業ラジオ放送と電気通信が普及し、電子増幅器は長距離電話や音楽録音産業などさまざまな用途で使用されるようになりました。[ 5 ]
次の大きな技術的進歩が現れるまでには数十年かかり、1947年にベル研究所のジョン・バーディーンとウォルター・ハウザー・ブラッテンによって最初の実用的な点接触トランジスタが発明されました。 [ 6 ]しかし、真空管は1980年代半ばまでマイクロ波や高出力伝送、テレビ受信機の 分野で主導的な役割を果たし続けました。 [ 7 ] それ以降、固体素子がほぼ完全に取って代わりました。真空管は、高出力RFアンプ、陰極線管、特殊オーディオ機器、ギターアンプ、一部のマイクロ波デバイスなどの特殊な用途で今でも使用されています。
1955年4月、IBM 608は真空管を一切使用しないトランジスタ回路を採用した最初のIBM製品であり、商用市場向けに製造された最初の全トランジスタ式計算機であると考えられている。 [ 8 ] [ 9 ] 608には3,000個以上のゲルマニウムトランジスタが搭載されていた。トーマス・J・ワトソン・ジュニアは、今後のすべてのIBM製品にトランジスタを設計に採用するよう指示した。それ以降、トランジスタはコンピュータの論理回路や周辺機器にほぼ独占的に使用されるようになった。しかし、初期の接合型トランジスタは比較的かさばるデバイスであり、大量生産が困難であったため、用途は限られた特殊な用途に限られていた。[ 10 ]
MOSFETは1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]これは、幅広い用途向けに小型化および大量生産できる最初の真にコンパクトなトランジスタでした。[ 10 ]その利点には、高い拡張性、[ 17 ]手頃な価格、[ 18 ]低消費電力、高密度が含まれます。[ 19 ]これは電子産業に革命をもたらし、[ 20 ] [ 21 ]世界で最も広く使用されている電子機器になりました。[ 22 ] [ 23 ] MOSFETは、ほとんどの現代の電子機器の基本要素です。[ 24 ] [ 25 ] 回路の複雑さが増すにつれて、問題が発生しました。[ 26 ]問題の1つは回路のサイズでした。コンピュータのような複雑な回路は速度に依存していました。部品が大きい場合、それらを相互接続する配線は長くなければなりません。電気信号が回路を通過するのに時間がかかり、コンピュータの速度が低下します。[ 26 ]ジャック・キルビーとロバート・ノイスによる集積回路の発明は、すべての部品とチップを同じ半導体材料のブロック（モノリス）から作ることでこの問題を解決しました。回路を小型化でき、製造プロセスを自動化することができました。これにより、すべての部品を単結晶シリコンウェハに集積するというアイデアが生まれ、1960年代初頭の小規模集積回路（SSI）、1960年代後半の中規模集積回路（MSI）、そしてVLSIへとつながりました。2008年には、10億個のトランジスタを搭載したプロセッサが市販されるようになりました。[ 27 ]
電子部品とは、電子システムまたは電子機器内のアクティブまたはパッシブのいずれかの部品のことです。部品は通常、プリント回路基板（PCB）にはんだ付けされて接続され、特定の機能を持つ電子回路を形成します。部品は単体でパッケージ化される場合もあれば、集積回路としてより複雑なグループでパッケージ化される場合もあります。パッシブ電子部品はコンデンサ、インダクタ、抵抗器であり、アクティブ部品は半導体デバイス、トランジスタ、サイリスタなどであり、これらは電子レベルで電流の流れを制御します。[ 28 ]
電子回路の機能は、アナログ回路とデジタル回路の2つの機能グループに分けられます。特定のデバイスは、どちらか一方の回路、または両方の回路を組み合わせた回路で構成されている場合があります。アナログ回路は、その機能の多くがデジタル化されているため、次第に使われなくなってきています。
アナログ回路は、デジタル回路で使用される離散的なレベルとは対照的に、信号処理に連続的な電圧または電流の範囲を使用します。アナログ回路は、初期の電子機器、例えばラジオ受信機や送信機などに広く用いられていました。アナログ電子計算機は、デジタル処理が進歩するまで、連続変数を扱う問題を解決する上で非常に有用でした。
半導体技術の発展に伴い、アナログ回路の多くの機能がデジタル回路に取って代わられ、完全にアナログ回路のみで構成される現代の回路は少なくなっています。その機能は、例えばアナログ信号を受信するデバイスのフロントエンドでアナログ回路を使用し、その後マイクロプロセッサ技術を用いたデジタル処理を行うといったハイブリッド方式に置き換えられています。
線形動作と非線形動作の両方の要素を持つ回路は、分類が難しい場合があります。例えば、電圧コンパレータは、連続的な電圧範囲を受け取りますが、デジタル回路のように2つのレベルのうちの1つしか出力しません。同様に、過駆動トランジスタアンプは、制御スイッチのような特性を持ち、実質的に2つの出力レベルを持つことがあります。
アナログ回路は、エンターテインメント業界などの信号増幅や、産業計測・制御などのアナログセンサーからの信号調整に、依然として広く用いられている。
デジタル回路は、離散的な電圧レベルに基づいた電気回路です。デジタル回路はブール代数を使用し、すべてのデジタルコンピュータとマイクロプロセッサデバイスの基礎となっています。単純な論理ゲートから、数百万個のゲートを用いた大規模な集積回路まで、その種類は多岐にわたります。
デジタル回路は、論理状態を示すために、0と1という2つの電圧レベルを持つバイナリシステムを使用します。多くの場合、論理0は低い電圧でLowと呼ばれ、論理1はHighと呼ばれます。ただし、一部のシステムでは逆の定義（0がHigh）を使用したり、電流ベースを使用したりします。多くの場合、論理設計者は、設計を容易にするために、ある回路から次の回路へこれらの定義を必要に応じて反転させます。レベルを0または1と定義することは任意です。[ 29 ]
三値論理（3つの状態を持つ）は研究され、いくつかのプロトタイプコンピュータが作られましたが、実用的な普及には至っていません。[ 30 ]一般的に、コンピュータやデジタル信号プロセッサは、電子論理ゲートにMOSFETなどのトランジスタを使用してバイナリ状態を生成するデジタル論理回路で構成されています。
高度に統合されたデバイス：
電子システム設計は、携帯電話やコンピュータなどの複雑な電子機器やシステムの多分野にわたる設計上の問題を扱います。この分野は、電子システムの設計と開発（新製品開発）から、その適切な機能、耐用年数、廃棄の保証まで、幅広い範囲をカバーしています。[ 31 ]したがって、電子システム設計とは、ユーザーの特定の要件を満たすために複雑な電子機器を定義し、開発するプロセスです。
電子工学理論は複雑な性質を持つため、実験室での実験は電子機器の開発において重要な部分を占めています。これらの実験は、エンジニアの設計をテストまたは検証し、エラーを検出するために使用されます。従来、電子工学実験室は物理的な空間に設置された電子機器や装置で構成されていましたが、近年ではCircuitLogix、Multisim、PSpiceなどの電子工学実験室シミュレーションソフトウェアを使用する傾向が強まっています。
今日の電子エンジニアは、電源、半導体（トランジスタなどの半導体デバイス）、集積回路などの既製の構成要素を使用して回路を設計する能力を持っています。電子設計自動化ソフトウェアプログラムには、回路図作成プログラムとプリント基板設計プログラムがあります。EDAソフトウェアの世界では、NI Multisim、Cadence（ORCAD）、EAGLE PCB [ 32 ]およびSchematic、Mentor（PADS PCBおよびLOGIC Schematic）、Altium（Protel）、LabCentre Electronics（Proteus）、gEDA、KiCadなど、多くの有名なソフトウェアがあります。
電子回路で発生する熱は、即時の故障を防ぎ、長期的な信頼性を向上させるために放散されなければなりません。放熱は主に受動的な伝導/対流によって行われます。より大きな放熱を実現する手段としては、空冷用のヒートシンクやファン、水冷などの他のコンピュータ冷却方式があります。これらの技術は、熱エネルギーの対流、伝導、放射を利用します。
電子ノイズは[ 33 ]、有用な信号に重畳され、その情報内容を不明瞭にする傾向のある不要な妨害として定義されます。ノイズは、回路によって引き起こされる信号歪みとは異なります。ノイズはすべての電子回路に関連しています。ノイズは電磁的または熱的に発生する可能性があり、回路の動作温度を下げることで低減できます。ショットノイズなどの他の種類のノイズは、物理的特性の制限によるものであるため、除去できません。
部品を接続する方法は、長年にわたって多種多様化してきました。例えば、初期の電子機器では、木製のブレッドボードに部品を取り付けて回路を構築するポイントツーポイント配線がよく用いられていました。薪を使った配線やワイヤラッピングも、他の方法として使われていました。現代の電子機器のほとんどは、 FR-4やFR-2などの材料で作られたプリント基板を使用しています。電気部品は一般的に、スルーホール実装または表面実装によってプリント基板に取り付けられます。
近年、電子機器の組み立てに伴う健康面および環境面への懸念がますます注目を集めている。
電子産業はさまざまな分野から成り立っています。電子産業全体の中心的な原動力は半導体産業であり、[ 34 ] 2018 年時点で年間売上高は4,810億ドルを超えています。 [ 35 ]最大の産業分野は電子商取引であり、[ 36 ] 2017 年に29兆ドル 以上を生み出しました。[ 37 ]最も広く製造されている電子機器は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET) であり、1960 年から 2018 年の間に推定 13垓個のMOSFET が製造されました。 [ 38 ] 1960 年代には、米国メーカーはソニーや日立などの日本企業と競争することができませんでした。日本企業は高品質の製品を低価格で生産することができました。しかし、1980 年代までには、米国メーカーは半導体の開発と組み立てにおいて世界をリードするようになりました。[ 39 ]
しかし、1990年代以降、豊富で安価な労働力と高度な技術が広く利用可能になったため、業界は圧倒的に東アジアへとシフトした（このプロセスは1970年代にマイクロチップの大量生産が東アジアで始まったことから始まった）。[ 40 ] [ 41 ]
30年以上にわたり、半導体製造能力における米国の世界シェアは、1990年の37%から2022年には12%に低下した。[ 41 ]米国を代表する半導体メーカーであるインテル社は、製造技術において下請けの台湾積体電路製造（TSMC）に大きく後れを取った。[ 40 ]
その頃には、台湾は先進半導体の世界的主要供給源となっていた[ 41 ] [ 40 ] 。それに続いて、韓国、米国、日本、シンガポール、中国が続いた[ 41 ] [ 40 ]。
重要な半導体産業施設（多くの場合、他地域に拠点を置く大手メーカーの子会社）は、ヨーロッパ（特にオランダ）、東南アジア、南米、イスラエルにも存在する。[ 40 ]
Si MOSFET は電子産業に革命をもたらし、その結果、私たちの日常生活のほぼあらゆる面に影響を与えています。
金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、デジタル集積回路の超大規模集積（VLSI）において最も一般的に使用されているアクティブデバイスです。1970年代には、これらのコンポーネントが電子信号処理、制御システム、コンピュータに革命をもたらしました。