20世纪的科技能够得以飞速发展，除了基础自然科学的创立外，还要归功于电子计算机的应用和发展。然而计算机基本元件的工作原理依然要依赖于在量子力学基础上建立起来的固体物理。计算机的大脑cpu就是一种典型的超大规模集成电路，现如今，集成电路的集成度（每块芯片上包含的元件数）已经在10万以上，集成电路的制备技术也已从常规的半导体平面工艺发展到了微细加工技术，图形线条已从几百微米缩小到微米级甚至亚微米级。从1970年直到现在，集成电路一直精确的按照摩尔定律（每隔18个月集成度增加一倍、速度提高一倍、价格降低一半）运行着。
按功能和性质的不同，集成电路可分为数字电路和模拟电路两部分。数字电路能够进行数字（0、1）运算，广泛应用于计算机、自动控制及通信等领域；模拟电路是对连续量比如电压、电流等进行运算的电路。集成电路的基本元件有二极管、三级管（晶体管）、电阻、电容等，它们都是在同一块硅片上应用特殊工艺制造的，即在半导体单晶基片上，通过外延、氧化、蒸发形成薄膜，经制版、光刻、刻蚀和扩散杂质（或离子注入）等步骤完成的。
晶体内部粒子有规律的周期性排列，因此存在周期性势场，根据量子力学中一条著名的定理：布洛赫定理可知，晶体的波函数是调幅平面波的形式。在这个周期性势场的作用下，通过引入一些简化假设可以求解薛定鄂方程，由于晶体中存在大量的粒子，使得它们相邻能级之间的间距极小，完全可以看作连成一片，因此叫做能带。不同的能带之间的间隙叫做禁带，禁带内是不允许填充电子的（或者说电子不能取这些能量值）。禁带的宽度大体决定了晶体的导电性质。若电子没有填满一个能带，或虽已填满但是却与其它能带重叠，使得能带上面有一部分没有填充电子，则电子可以很容易的在外加电场下跃迁，这种晶体就是导体。若低能带被电子填满了而禁带宽度又很大，则通常情况下的电场无法使电子获得足够的能量跨过禁带跃迁到高能带，因此这种晶体是绝缘体。若禁带宽度很窄，则热激发可以使得很小一部分低能带电子跨过禁带跃迁到高能带，同时在原来已经填满了的低能带“电子海”中留下了等量的空位，这种空位在电场中的行为就像是一个带正电的粒子在电场中运动一样，因此是一种“准粒子”，物理学家将这种空位命名为“空穴”，并认为它也是一种带正电的载流子。这种晶体就是半导体。半导体内部有电子和“空穴”两种导电粒子。在半导体内部掺入少量杂质会显著改变半导体的电导率比如，在硅中掺入百万分之一的磷，其导电能力会增大百万倍。原因是磷的能级恰好在半导体禁带顶端附近，此能级上的大量电子会在热激发下跃迁到空带上，显著提高电子浓度，称为N型半导体。同样，在硅中掺硼，可以显著提高空穴的浓度，称为P型半导体。但是如果我们在同一块硅片上一半掺磷，一半掺硼会怎么样呢？它们会因为存在电子和空穴的浓度梯度而产生扩散，最终导致交界处建立起一个内电场，形成一个只有单向导电能力的结，这就是大名鼎鼎的PN结。
晶体管（三级管）内部有两个PN结，但并不是任意两个PN结都可以形成晶体管，两个二极管串联还是两个二极管，不会变成三级管。要阐明晶体管的结构需要费一些笔墨，因此从略了。我们只要知道晶体管的作用是电流放大就可以了。在实际应用中，二极管和晶体管一般是用作分立元件使用，而不用作集成电路元件。集成电路中用的是一种特殊的元件：场效应管。其原理和结构讲起来又是一堆，因此也从略了，我们牢记知道一点：结构决定性质就可以了。
现在我们来看集成电路的具体制作：在一片抛光的材料（比如硅）上，用气相外延工艺生长出符合要求的外延层，然后用热氧化法生长出SiO2膜，接着进行光刻。在SiO2膜上涂感光胶，盖上预先制好的模版，在紫外光下曝光（对于线路尺度已经到微米级和亚微米级的电路，可见光、紫外线已经不能胜任了，原因是存在衍射效应，需要用波长更短的电子或X射线进行光刻）。未感光的部分容易溶解掉，露出SiO2膜，用腐蚀剂腐蚀，选择适当的元素进行扩散掺杂，再用光刻法开出引线孔，用真空镀铝工艺经刻蚀形成电极。以上只是大体步骤，实际过程中还有许多问题（比如元件隔离、无源元件的制备、电极引线的外引等）需要解决。
随着微细加工技术的发展，集成器件越做越小，但是这种过程不能无限的进行下去，它受到一些物理原理的限制。主要有本征极限、布线极限、功耗极限三个因素。即使出现了新的器件结构，有两个因素仍将最小尺度限制在10nm以上，即掺杂原子的间距和基本粒子的散射。
然而我们不必太担心，因为这是在传统工艺基础上的理论预言。事实上，利用现代制造工艺，我们可以制造出尺度在0.1nm到50nm的纳米功能器件，如单电子晶体管、巨磁阻层、纳米管和量子点激光器等。为了适应时代的潮流，美、英、日等国已经展开了对单电子器件的研究，而且已经制成了许多实验室器件，但还存在电接触、互连、可靠性等问题尚待解决。现代电子学结合纳米科技无疑可以创造出更大的奇迹。
除了纳米器件之外，还有什么东西有可能挑战现代电子学中半导体一统天下的局面呢？导体？绝缘体？显然不太可能。不过我们可以大胆的猜测，未来的电子学领域似乎又是个三足鼎立的局面：半导体器件、纳米器件还有……
按功能和性质的不同，集成电路可分为数字电路和模拟电路两部分。数字电路能够进行数字（0、1）运算，广泛应用于计算机、自动控制及通信等领域；模拟电路是对连续量比如电压、电流等进行运算的电路。集成电路的基本元件有二极管、三级管（晶体管）、电阻、电容等，它们都是在同一块硅片上应用特殊工艺制造的，即在半导体单晶基片上，通过外延、氧化、蒸发形成薄膜，经制版、光刻、刻蚀和扩散杂质（或离子注入）等步骤完成的。
晶体内部粒子有规律的周期性排列，因此存在周期性势场，根据量子力学中一条著名的定理：布洛赫定理可知，晶体的波函数是调幅平面波的形式。在这个周期性势场的作用下，通过引入一些简化假设可以求解薛定鄂方程，由于晶体中存在大量的粒子，使得它们相邻能级之间的间距极小，完全可以看作连成一片，因此叫做能带。不同的能带之间的间隙叫做禁带，禁带内是不允许填充电子的（或者说电子不能取这些能量值）。禁带的宽度大体决定了晶体的导电性质。若电子没有填满一个能带，或虽已填满但是却与其它能带重叠，使得能带上面有一部分没有填充电子，则电子可以很容易的在外加电场下跃迁，这种晶体就是导体。若低能带被电子填满了而禁带宽度又很大，则通常情况下的电场无法使电子获得足够的能量跨过禁带跃迁到高能带，因此这种晶体是绝缘体。若禁带宽度很窄，则热激发可以使得很小一部分低能带电子跨过禁带跃迁到高能带，同时在原来已经填满了的低能带“电子海”中留下了等量的空位，这种空位在电场中的行为就像是一个带正电的粒子在电场中运动一样，因此是一种“准粒子”，物理学家将这种空位命名为“空穴”，并认为它也是一种带正电的载流子。这种晶体就是半导体。半导体内部有电子和“空穴”两种导电粒子。在半导体内部掺入少量杂质会显著改变半导体的电导率比如，在硅中掺入百万分之一的磷，其导电能力会增大百万倍。原因是磷的能级恰好在半导体禁带顶端附近，此能级上的大量电子会在热激发下跃迁到空带上，显著提高电子浓度，称为N型半导体。同样，在硅中掺硼，可以显著提高空穴的浓度，称为P型半导体。但是如果我们在同一块硅片上一半掺磷，一半掺硼会怎么样呢？它们会因为存在电子和空穴的浓度梯度而产生扩散，最终导致交界处建立起一个内电场，形成一个只有单向导电能力的结，这就是大名鼎鼎的PN结。
晶体管（三级管）内部有两个PN结，但并不是任意两个PN结都可以形成晶体管，两个二极管串联还是两个二极管，不会变成三级管。要阐明晶体管的结构需要费一些笔墨，因此从略了。我们只要知道晶体管的作用是电流放大就可以了。在实际应用中，二极管和晶体管一般是用作分立元件使用，而不用作集成电路元件。集成电路中用的是一种特殊的元件：场效应管。其原理和结构讲起来又是一堆，因此也从略了，我们牢记知道一点：结构决定性质就可以了。
现在我们来看集成电路的具体制作：在一片抛光的材料（比如硅）上，用气相外延工艺生长出符合要求的外延层，然后用热氧化法生长出SiO2膜，接着进行光刻。在SiO2膜上涂感光胶，盖上预先制好的模版，在紫外光下曝光（对于线路尺度已经到微米级和亚微米级的电路，可见光、紫外线已经不能胜任了，原因是存在衍射效应，需要用波长更短的电子或X射线进行光刻）。未感光的部分容易溶解掉，露出SiO2膜，用腐蚀剂腐蚀，选择适当的元素进行扩散掺杂，再用光刻法开出引线孔，用真空镀铝工艺经刻蚀形成电极。以上只是大体步骤，实际过程中还有许多问题（比如元件隔离、无源元件的制备、电极引线的外引等）需要解决。
随着微细加工技术的发展，集成器件越做越小，但是这种过程不能无限的进行下去，它受到一些物理原理的限制。主要有本征极限、布线极限、功耗极限三个因素。即使出现了新的器件结构，有两个因素仍将最小尺度限制在10nm以上，即掺杂原子的间距和基本粒子的散射。
然而我们不必太担心，因为这是在传统工艺基础上的理论预言。事实上，利用现代制造工艺，我们可以制造出尺度在0.1nm到50nm的纳米功能器件，如单电子晶体管、巨磁阻层、纳米管和量子点激光器等。为了适应时代的潮流，美、英、日等国已经展开了对单电子器件的研究，而且已经制成了许多实验室器件，但还存在电接触、互连、可靠性等问题尚待解决。现代电子学结合纳米科技无疑可以创造出更大的奇迹。
除了纳米器件之外，还有什么东西有可能挑战现代电子学中半导体一统天下的局面呢？导体？绝缘体？显然不太可能。不过我们可以大胆的猜测，未来的电子学领域似乎又是个三足鼎立的局面：半导体器件、纳米器件还有……
