探究物理：遨遊電子王國

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國家圖書館出版品預行編目（CIP）資料

探究物理 : 遨遊電子王國 / 于淑華等編 ; 于今昌主 編. -- 初版. -- 高雄市 : 麗文文化, 2017.02 面 ;

公分

ISBN 978-957-748-908-1（平裝）

1.電學 2.光學 3.通俗作品 330.8 105018428

探究物理：遨遊電子王國 初版一刷•2017年2月

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于今昌 于淑華、于越姝、王丹、田梅、仲勇、李佳、李瑋琪、呂豔輝、 陳學威、張玉峰、康卓、盧健（依姓氏筆畫排列） 林瑜璇、張如芷 余旻禎 楊曉祺 蔡國彬 麗文文化事業股份有限公司 80252高雄市苓雅區五福一路57號2樓之2 07-2265267 07-2233073 www.liwen.com.tw liwen@liwen.com.tw 41423894 07-2265267轉236 23445新北市永和區秀朗路一段41號 02-29229075 02-29220464 林廷隆律師 02-29658212

行政院新聞局出版事業登記證局版台業字第5692號 ISBN 978-957-748-908-1（平裝） 本叢書經由長春出版社正式授權在台灣地區出版中文繁體字版本

定價：400元

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推薦序

生長在一個知識爆炸的時代，我們每天甚至每分每秒都被 新的資訊衝擊著，有時根本還來不及接收，這些新訊在轉眼間 已成為舊聞；隨著科技產業的日新月異，新穎的科技產品也是 不斷地推陳出新。我們每天幾乎都是透過手上的 3C 產品，將 所有的資訊及知識「滑」到眼前，但不論內容是什麼，我們總 是用不超過五秒鐘的時間，伸出手指毫不留情地將它滑開，因 為後頭還有數不盡的新訊等著我們去看，沒有時間─仔細閱 覽，深怕一個不留神，就跟不上這個快速轉變的世界。在我們 汲汲營營求新求快的同時，似乎忘了抬頭看看四周的世界、忘 了與你身旁的人對話、更忘了伸出手去翻一本好書。 放下手機，試著回想你有多久沒有好好閱讀一本書了呢？ 尤其是正處求學階段的青少年們，陪伴你們成長、讓你們獲得 知識的絕對不僅僅是那台電腦或那支手機，更多的是一本本放 在書架上等著你去挖掘、去探索的知識寶庫。身為教育者最擔 憂的莫過於看見莘莘學子們在 3C 世界裡不斷向下沉淪，每天 緊盯著手上的螢幕，茶不思、飯不想，達到另一種「廢寢忘 食」的境界，而學業，早就被拋諸於腦後了。這難道能不令人 憂心忡忡嗎？ 要改善這個在校園裡已逐漸蔓延擴散的現象，必須從根本 的基礎做起。首要的關鍵就是讓青少年重拾對閱讀的興趣，進 而將閱讀視為一種生活態度，自然而然地在生活中養成閱讀的 好習慣。「閱讀」是須要培養的。能夠引起閱讀動機，讓青少 年主動伸手翻書是極為重要的第一步，然而要讓莘莘學子跨出 艱難的這一步，書籍內容是否具有吸引力是相當關鍵的。當 i

然，能從閱讀中汲取知識、增廣見聞、豐富人生色彩，才是閱 讀最大的樂趣與助益。在此，要鄭重向各位學子們推薦「青少 年科普叢書」系列書籍，是專為中小學生打造的優良讀物，目 前的出版品有《科學揭祕動物世界》 、 《探究物理》等套書。 《科學揭祕動物世界》分為無脊椎類、海洋類、魚類、兩 棲爬行類、鳥類、哺乳類等六冊，每冊皆有數十個主題，每個 主題的篇幅精煉，並針對主題附上優美的照片，深刻讀者們的 印象，讓讀者不僅能從文字認識動物，還可由照片看見動物之 美。書中除了介紹生活中常見的動物之外，還要帶領大家認識 稀有罕見甚至瀕臨滅絕的動物，讓我們能夠更加珍惜與愛護這 片土地，好讓這些動物能無憂無慮地生存下去。此書最特別之 處在於描寫了若干動物的小故事，為平凡的文字增添了生動有 趣的色彩，也提升了對讀者的吸引力。 《探究物理》分為挑戰萬有引力、遨遊電子王國、解譯聲 波密碼、駕馭原子世界、探索太空奧祕等五冊，匯集多元的物 理現象，藉由一則則小故事，介紹力學、電學、聲學、原子學 及天文學等等的學科知識，其中也包含在全球廣為討論並飽受 爭議的「核能」應用，使讀者懂得學思並重，思考物理學發展 帶給人類的利弊得失，進而探究其未來趨勢，讓物理學為人類 生活帶來更多更廣的助益。 來吧！讓我們一同閱讀「青少年科普叢書」 ，揭開科學的 神祕面紗，探索其中的奧妙，一定能讓你感受閱讀的樂趣，並 且獲益良多。

王惠亮

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王惠亮 現職：國立高雄師範大學生物科技系教授兼副校長 經歷：國立高雄師範大學生物科技系系主任、總務長、教務長 學歷：美國康乃爾大學博士 專長：分子生物、遺傳工程、生物農藥

推薦序

近代以來，科學發展迅速，民眾的工作與生活都講求迅速 和效率，智慧型手機和電子產品充斥於生活之中，學生的學習 受到很大影響，較常閱讀短文或短句，結果只能從事短句的寫 作，導致「閱讀」這件事已被邊緣化。先進國家組成的 OECD 組織，大力提倡閱讀，發展 PISA 的測驗，我國也看見這等危 機，參加測驗，並在學校教學提倡閱讀的教學與評量。 科學的學習需要講求方法，動手做的學習、POE 的教學 等不勝枚舉，然而，很多人卻忘了「知識」才是提升素養與學 習的根本。知識靠閱讀， 《探究物理》期望對中學生的閱讀作 出貢獻，在內容的編排上，講究幾項特色： （一）科學史的內容，對科學演化歷程的理解即是對科學素養 的提升，本叢書以科學史的邏輯引導學生有效閱讀科 學，內容則延伸到最尖端的知識，大到宇宙的深處，小 到原子或電子的運動，深入淺出地以「專題」的型態呈 現，充實學生與科學對話的根本。 （二）故事解說，美國解說之父 Tilden 曾提出生態解說的六大 原則，故事解說是重要的原則之一，本叢書以科學故事 的編排作為主軸，呼應善用學生喜歡聽故事的特質，有 效提升中學生的科學知識。 （三）閱讀的興趣，不論是科學教育學家或生態解說員，都同 意提升學生的學習興趣，是學習的重要工作，本叢書把 內容和標題趣味化，例如尋找系外行星的標題是「尋找 太陽的表兄弟」 ，不但有效解說科學內容，更能促進學 iii

習的興趣，讓專業的知識不再艱深，藉以面對中小學生 的學習特質。 本叢書運用專題形式、科學史的故事以及趣味化的寫作， 能夠有效吸引中學生對閱讀的喜好，進而提升中學生的科學素 養，是一套值得推薦給中學生閱讀的好書。

蘇明俊

蘇明俊 現職：樹德科技大學休閒與觀光管理系助理教授 高雄市天文學會理事長 經歷：國立高雄師範大學物理系兼任助理教授 高雄市立左營高中、三民國中物理教師兼主任 學歷：國立高雄師範大學科學教育理學博士 專長：物理學、地球科學、科學教育 iv

前言

現代物理學是現代科學革命和現代技術革命的先驅。它推 動了現代化學、天文學、地學和生物學，及新能源、新材料、 資訊、生物、空間、海洋等技術的進步，對社會經濟和資訊時 代的到來、人們的生活方式和國家的綜合實力，乃至世界格局 都產生了巨大影響，其思想和方法也大大改變了人們的思想觀 念和思維方式。為了滿足青少年對學習科學知識、掌握最新技 術的強烈願望，按照教育部提出的素質教育的基本要求，我們 組織專家學者精心編撰了一套適合中小學生閱讀、適合物理教 。叢書共五冊，分別 師作為教學參考的叢書─《探究物理》 是《挑戰萬有引力》 、 《遨遊電子王國》 、 《解譯聲波密碼》 、 《駕 馭原子世界》和《探索天空奧祕》 。 其中《挑戰萬有引力》 ，講述經典力學、熱力學和流體力 學中許多耐人尋味的有趣現象和奇聞軼事，詳解第一、第二、 第三宇宙速度，以及太空人駕馭太空船克服地球引力飛出了 地球； 《遨遊電子王國》簡述電子學、電磁學和光學的基本知 《解譯聲波密碼》不 識，介紹了它們在各自領域的獨特作用； 僅講述了鮮為人知又趣味橫生的聲波故事，而且詳解了人類聽 不見、看不見的超聲波、次聲波，以及它們對生產生活所產生 的巨大作用； 《駕馭原子世界》客觀評價了桀驁不馴的原子輻 射給人類帶來的危害以及成功地駕馭原子讓它造福於人類，重 點介紹了核武器的相關知識； 《探索太空奧祕》揭示了宇宙間 星雲、恆星、行星、小行星、彗星和月球的神祕身世，介紹了 太空船、太空梭、太空實驗室、軌道站和國際太空站，以及中 國航太事業在國際上的顯要地位。 v

本叢書彙集了物理學最前沿的知識，透過五百多則妙趣橫 生的小故事和四百多幅生動有趣的插圖，深入淺出點出了力 學、電學、光學、聲學、原子物理學、天體物理學、環境物理 學等學門的重點與精髓。既為青少年讀者細細梳理了現代物理 學的發展脈絡，重點詮釋了從經典物理學到現代物理學的完美 嬗變，同時也展現了物理學未來發展的光明前景，是青少年學 習和瞭解最新科技知識的良師益友。書中提出的一些懸而未決 的疑難問題，必將激發出青少年探索物理奧妙的熱情與濃厚興 趣，從而樹立攀登科學高峰的雄心壯志。

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目次 v

Contents

前言

電子 002 卡爾遜和他發明的靜電影印機

053 備受青睞的光電牙刷

005 顯微鏡下的電子王國

056 從寒暑表到電子體溫計

008 多功能半導體

059 挽救病人生命的起搏器

011 電子顯微鏡正醞釀著新突破

062 思想也是一種電波

014 怒髮衝冠

065 神奇的超低溫世界

017 貝爾和他的電話

068 指紋鑑定儀和它的對手

020 手機可能增加患腦癌風險嗎？

071 從電子母雞孵小雞說起

023 神祕的「損傷電流」

074 電子動物顯神通

026 靜默與佯動

077 電子偵查員跟蹤瀕危野生動物

029 電波引來的導彈

080 奇特的電子蛙眼

032 電子「雪崩」

083 電子警犬

035 電子間諜

086 從機器人當上了守門員說起

038 電子罪犯與電子偵破

089 電腦算命是騙人的

041 驚心動魄的電子戰 044 廣播應徵入伍

092 把賈寶玉、林黛玉存進電子檔 案

047 高速度的載客電梯

095 電腦能夠改變戰爭的面貌

050 發明電燈的故事

098 使用電腦的憂患

101 多媒體技術與互聯網路

157 向大海要油

104 備受歡迎的微波爐

160 從錢塘江潮看潮汐發電

107 鮮為人知的電火箭

163 海浪和洋流發電 166 重新估價風力能源

電磁

169 太陽能飛行器

112 魔鬼石頭

172 太陽能汽車越跑越快

115 備受關注的駐極體

175 打撈落海的太陽能

118 自學成材的電磁學家 121 地震治好了腱鞘囊腫

178 太 陽 能 電 池 的 昨 天、 今 天 和 明天

124 無形的殺手

181 電池大家庭

127 人與磁

184 導電塑膠

130 鴿子參軍

187 潛力無窮的中國地熱資源

133 電子譯電員

190 地熱之花─乾熱岩

136 魚能放電的祕密

193 能有效利用化石燃料的磁流體 發電

139 耐人尋味的生物電 142 從泰勒斯的發現說起 145 檸檬電鐘

196 21 世紀的重要能源 ─重油 199 未來的能源，地球環保的救星 ─氫

148 可利用的微生物新能源 151 五彩繽紛的電光源 154 能源

光也是電磁波 204 能創造奇蹟，也能惹麻煩 207 捕捉光的故事 210 變幻無窮的海水顏色 213 晶瑩奪目的水下「燈會」 216 車胤夜讀借螢光 219 夜眼─光增強器

222 多功能的紅外線

264 雷射美容及其他

225 明察秋毫的高空「偵查兵」

267 用雷射在心臟上打孔

228 忠於職守的「哨兵」

270 雷射除污與打撈回收

231 夜視器材大展鴻圖

273 雷射在農業上也具備多功能

234 響尾蛇與紅外導引裝置

276 光也污染環境

237 引誘殺蟲

279 關於避雷針形狀的爭議

240 巡天察地的遙測衛星

282 短暫的閃電

243 光纖通訊前程似錦

285 航空與航太殺手─雷電

246 雷射和肖洛

288 雷電將象徵著光明與希望

249 價值連城的珠寶不翼而飛

291 光子肥料

252 奇妙神通的雷射雷達

294 太陽光帆

255 厲害的雷射武器 258 雷射武器的分類及其特性 261 給炸彈裝上人造眼

卡爾遜和他發明的靜電影印機

在現代化的辦公室裡，影印機和打字機一樣，是不可或缺 的辦公用具。 影印機是誰發明的呢？這位發明家就是美國人查斯特．卡 爾遜。 卡爾遜 12 歲時，為了幫助父母養家糊口，在加州聖伯納 迪諾打零工。14 歲那年，他挑起了贍養雙親的重擔，每天很 早就得起床，上學前先去商店擦玻璃窗，下午還得去銀行和報 社打掃，每星期六要從早晨 6 點一直忙到晚上 6 點。他的父親 是一位流動理髮師，由於關節炎和肺病而無法工作。母親也患 有肺病，長年臥床不起。他們就只有卡爾遜一個孩子。 生活上的重擔壓得卡爾遜喘不過氣，許多小孩子面對這種 壓力早就退學了。但是，卡爾遜以頑強的意志堅持著。他念初 中時除了作看門的工作外，還在印刷廠當學徒。高中時他除了 繼續作擦洗玻璃窗、打掃地板等工作外，還利用星期六和星期 遨 遊 電 子 王 國

天在化學實驗室工作。他先進入里弗塞德專科學校學習，然後 又在加州理工學院念書。他艱苦奮鬥了五年，可是，他還是欠 下了 1,400 美元的債務。 1930 年，當時工作特別難找，卡爾遜總算在紐約一家電 子公司的專利部門找到了一個固定的工作。在那裡，複製檔和 圖表之類的麻煩事給他留下了不可磨滅的印象。 手稿必須重新列印出來，圖表得送到照相複印公司去複 印，這既費錢又費時。他心想如果在辦公室裡有一台機器，只 要把原文本塞進這台機器裡，一按電鈕就可得到一模一樣的複

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本，那該多好呀！ 1935 年，他開始著手研製這種機器。當時

人們和現在一樣，總認為沒有設備完善、規模巨大的實驗室 就不可能有重大發明。29 歲的卡爾遜，雖然身體瘦弱，兩眼 近視，卻是個意志堅強、鍥而不捨的人。他單槍匹馬埋頭努力 了三年，細心觀察光怎樣作用於物質，並探索圖像從一張紙傳 到另張紙上面的獨特方法。星期六、星期天和每天晚上，紐約 公共圖書館內都留下了他勤奮學習的身影，甚至在地鐵裡他也 在思考問題。對他來說，時間永遠不夠用，因為他肩負重擔： 白天他得努力工作來保住他的飯碗；夜晚去夜校讀書，以便取 得學位；百忙之中還要實現他的夙願─研製影印機。透過理 論上的探索，他終於掌握了靜電學。1937 年，他正式提出申 請，要求給「靜電攝影法」授予專利權。 卡爾遜確信他已經掌握了靜電複印的基本概念，但是他還 需要把理論付諸實踐。他便把自己唯一一間起居室的壁櫥改成 臨時實驗室，但結果證明這裡不能適應實驗需要。因此，他在 長島的阿斯托利亞租了一小間簡陋房子，在裡面配備了實驗用 的物品。另外，他節衣縮食，用節省下的錢雇用了一位實驗助 手，幫他一起作實驗。 1938 年 10 月 22 日，在這間簡陋的房間裡，卡爾遜用墨水 在一塊玻璃板上書寫了「阿斯托利亞 1938.10.22」幾個字，又 用一塊布手帕在塗硫的金屬板上拭擦，使它帶上電荷，然後隔 著寫有字的玻璃板，在泛光燈下將這塊金屬板曝光 3 秒鐘，字 便在板上顯示出來了。接著，卡爾遜又把一張蠟紙平壓在塗硫 的金屬板上，紙上也複印出了相同的字。這就是世界上最早的 靜電複印，後來這種方法被命名為「靜電印刷術」 。 然而，對卡爾遜來說，之後幾年的經歷並不是一帆風順 的。根據他圖紙設計生產的各種影印機總不能使他滿意。他想

卡 爾 遜 和 他 發 明 的 靜 電 影 印 機

方設法推廣這種機器，以引起人們的注意，可是他發現人們對 他的發明漠不關心。1939-1944 年間，包括雷明頓蘭德和國際 商業機器公司在內的二十多家公司拒絕接受卡爾遜的新產品。

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儘管美國全國發明者理事會看到了影印機市場的廣闊前景，但 卻否定了卡爾遜的製作法。 卡爾遜仍不斷地向四處發信、打電話，以加強他的專利權 地位。1944 年，他專程到了俄亥俄州的哥倫布市向非營利性 工業研究機構巴特爾紀念學院展演了他的製作法，該機構表示 同意支持他完善影印機的發展工作，但要將收益的 60% 付給 該學院。然而，製造商們對此仍毫無興趣，有人甚至把卡爾遜 的製作法稱為「粗糙或玩具式器具」 。 不久，情況發生了改變。紐約羅徹斯特的一家小公司開始 為卡爾遜作小筆推銷。1947 年 4 月，卡爾遜收到了巴特爾公 司匯出的第一張 2,500 美元專利支票。但直到 1950 年，靜電影 印機才在市場上出售。此後又過了十年，該公司生產了 914 型 書桌大小的影印機，人們只要一按電鈕就可以在一般大小的紙 張上得到乾印複本。 當時，在市場上出售的影印機有好多種型號，其中有伊斯 門柯達克公司推出採用化合顯影劑的「濕寫」影印機和明尼蘇 達礦業公司推出的紅外線燈光熱量在紙上形成圖像的「熱寫」 影印機。而靜電影印機突出的優點是：這種影印機用乾寫法， 不需要化學藥品或特殊的紙張，而加工出的影本品質特別好。 遨 遊 電 子 王 國

靜電影印機，在中國是 1970 年代後期被廣泛應用。它作 為現代辦公用品，日益受到人們的歡迎。

靜電複印 靜電複印是利用光敏半導體的光電導特性，透過電場力作 用獲取圖像的一種複製方法。其過程包括充電、顯影、轉 印、表面清潔、定影（固像）等主要步驟。具有快速、方 4

便、準確、廉價等優點。

顯微鏡下的電子王國

積體電路是一種半導體器件，從外表上看不過是一塊像指 甲大小的長方形薄片，周圍伸出好多條金屬的「長腿」 。要是 打開它的外殼，就會看到裡面有一塊米粒大小的矽片。用肉眼 仔細端詳這銀光閃閃的積體電路的矽片，隱隱約約地看到它表 面上好像有許多花紋似的。 倘若把這米粒大小的矽片放到顯微鏡下觀察的話，我們就 彷彿坐在飛機上鳥瞰一座城市。你看吧：在這小小的「電子 城」裡，一條條銀色的大道，縱橫交錯，這是電子元件之間的 連線；大道兩旁有許多宛如高樓大廈一樣的條條塊塊，這是電 晶體、電阻器、電容器和電感器等電子元件；周邊那些比較大 的塊狀物，猶如一個城市的火車站、汽車站和飛機場，這是壓 焊點，它們用導線與外殼上的金屬「長腿」相連接。傳遞各種 資訊的電流，就在這裡進進出出、流來流去，就好像車水馬龍 。 的鬧市區。這就是一塊積體電路─小小的「電子城」 世界上第一塊積體電路是 1959 年研製出來的。當時這小小 的「電子城」裡，雖然只 居住著屈指可數的幾個 「公民」 ─電子元件， 但 是， 它 標 誌 著 電 子 器

顯 微 鏡 下 的 電 子 王 國

件小型化進入了一個新時 代。此後，在短短的兩、 三年裡，很快就出現了包 含上百個電子元件的中等 規模積體電路。

積體電路板（圖片來源：http://goo.gl/881rgw）

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小巧、輕便、價廉、可靠的積體電路，像孫悟空一樣鑽進 了現代科學技術的各個領域。可以毫不誇張地說，沒有電晶體 和積體電路，就沒有今天的電子工業，也不會有今天科學技術 的進步以及令人瞠目的科學奇蹟。 在談積體電路的時候，不能不簡略地談談電晶體，因為它 是積體電路的重要組成部分。 世界上第一隻電晶體於 1947 年問世。它是美國貝爾電話 實驗室的肖克萊、巴丁、布拉頓等人，在對半導體性質進行廣 泛研究所作出的一項發明。第一隻電晶體是用兩根金屬針壓在 半導體鍺片上，形成兩個靠得很近的接觸點。起初，巴丁和布 拉頓設計出來的電晶體雛形只有一個接觸點。一根塗蠟的金屬 針與半導體鍺片接觸，鍺片的表面有一層氧化層。水滴上的電 場可控制針尖附近鍺片上的載流子濃度，進而控制由針流向鍺 片的電流。由於工藝上的限制，這種裝置只對頻率在 8 赫茲以 下的訊號有放電作用，顯然它不能付諸實用。後來，研究者 們將留有小孔的部位鍍上金屬來代替水滴。實驗中，意外地發 現：在金屬與鍺片之間加一小的正向電壓會引起向鍺片中注入 少數載流子，從而大大增加了從鍺片流向金屬針的電流。這個 意外的發現成了第一個可供實用電晶體的催化劑。於是，他們 遨 遊 電 子 王 國

改變了設計方案，增加了一個接觸點。1947 年 12 月 23 日，第 一個電晶體放大裝置清晰地將聲頻訊號放大了上百倍，實驗成 功了。 有了電晶體和積體電路，才有了現代的電腦。 世界上第一台電子電腦命名為「埃尼阿克」 ，是 1946 年美 國賓州大學埃克特等人研製成功的。它裝有 1.8 萬多隻電子管 和大量的電阻、電容，第一次用電子線路實現運算。「埃尼阿 克」每秒能作 5,000 次加法，或者是 400 次乘法。如果用當時 最快的機電式電腦作 40 點彈道計算，需要 2 小時，而「埃尼

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阿克」只要 3 秒鐘，快了 2,000 多倍！從第一台電子電腦誕生

至今，已經歷了幾代變革：第一代是真空管電腦，第二代是電 晶體電腦，第三代是積體電路電腦，第四代是超大型積體電路 電腦。現在用一塊大型積體電路的微型電腦，它的重量還不到 500 克，而運算速度要比第一台電子電腦快幾十倍。這種變革 的意義是不言而喻的。 現在的微型電腦能進行人造衛星的運行計算；能進行全國 的天氣預報；能儲存資訊，像大型圖書館裡擁有上百萬冊圖 書，你需要哪本書時，可以立即幫你查詢；它能控制機器，作 成機器人。現在世界上大約有十幾萬個機器人，它們有的可 以在有毒、有害和高溫環境裡工作；有的可以上天遨遊探索宇 宙；有的可以潛入海底打撈探祕；有的會下棋；有的會繪畫； 還有的能當翻譯…… 超大型積體電路中的電晶體尺寸為 1.5 ∼ 2.5 微米級，下 一代的電晶體尺寸可縮小到 0.25 微米級。到那時，這米粒般 大小的矽片，就不再是袖珍「電子城」 ，而是變成規模碩大的 「電子王國」了。

電晶體的發展 一位美國研究者發現，自 1959 年起，電晶體在晶片上的 密度每年翻一倍。1973 年以後，增長速度有所減慢，每 隔一年半翻一倍。倘若能繼續保持這種趨勢，到 21 世紀 初，每塊 6 公釐 ×6 公釐的晶片上可容納 100 億個電晶

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體。

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