Hardware & Embedded Systems
Arduino, RISC-V, MSP430, PLC, Linux drivers and embedded systems engineering.
MAX30102--High-Sensitivity Pulse Oximeter and Heart-Rate Sensor for Wearable Health
General Description The MAX30102 is an integrated pulse oximetry and heart-rate monitor module. It includes internal LEDs, photodetectors, optical elements, and low-noise electronics with ambient light rejection. The MAX
Read article →01-課程介紹
第 0 章 1：課程介紹 一、為什麼要學電子硬體？ 當我們使用手機、電腦、汽車、家電時，背後支撐這一切的，是「電子硬體」。 即使是寫軟體的 人，也需要理解硬體： 效能瓶頸常在硬體：知道 CPU、記憶體與 I/O 的本質才能寫出高效程式 物聯網時代來臨：每個感測器、每個連網設備都是硬體 AI 加速器、量子運算：新的運算典範都建立在硬體創新上 電動車、再生能源：電力電子是淨零碳排的核心 學會電子硬體，等於學會了「物理世界與數位世界的橋樑」。
Read article →02-學習路徑
第 0 章 2：學習路徑指南 不同背景的讀者有不同的最適路線。本章幫您找到最有效率的學習方式。 一、自我評估 請先回答以下問題，找到您的起點： Q1. 您理解以下概念嗎？ [ ] 歐姆定律 V = IR [ ] 串聯與並聯電阻 [ ] 直流（DC）與交流（AC）的差別 [ ] 電壓、電流、功率的單位 全部會 → 可跳過 01-基礎篇 01 章 不確定 → 從 01-基礎篇 01 章開始 Q2. 您理解以下嗎？ [ ] 電容如何儲存電荷？
Read article →03-基本物理概念
第 0 章 3：基本物理概念 學電子硬體之前，需要先掌握幾個物理基礎。本章用最直白的方式整理。 一、原子與電子 原子模型 物質由原子（atom）組成。原子由： 原子核（中央，包含質子 proton 與中子 neutron） 電子（electron，環繞原子核） 組成。質子帶正電，電子帶負電，中子不帶電。 電子殼層 電子在原子核外按「殼層」（shell）排列： 殼層 最多電子數 對應軌道 K（n=1） 2 1s L（n=2） 8 2s,
Read article →01-電學基礎
第 1 章 1：電學基礎 本章奠定整套教材的基礎。即使您學過，請仔細複習。 一、電壓、電流、電阻 1. 電流（Current, I） 定義：單位時間內通過某一導體斷面的電荷量。 單位：安培（A）= 庫侖/秒（C/s） 1 A 表示每秒有 1 庫侖（≈ 6.24 × 10¹⁸ 個電子）通過 方向約定：傳統電流方向 = 正電荷流動方向 = 電子流動的反方向。 典型電流： 應用 電流 心臟感知 1 µA 助聽器 10 µA MCU IO 1–
Read article →02-電阻
第 1 章 2：電阻（Resistor） 電阻是電子電路中最常見、看似簡單其實學問很多的元件。 一、什麼是電阻？ 物理本質 電阻是「對電流通過的阻礙」，使電能轉換為熱能（焦耳熱）。 電子在金屬或電阻材料中流動時，會與晶格原子、雜質、缺陷碰撞，這些散射造成能量損耗。 電路符號 IEC（歐式）：長方形 ▭ ANSI（美式）：鋸齒線 ⩕ IEC: ──[==]── ANSI: ──/\/\/── 兩種都常見，看 datasheet 與電路圖時
Read article →03-電容
第 1 章 3：電容（Capacitor） 電容是儲存電荷的元件，是電子電路中第二常見的被動元件，比電阻有更多「個性」。 一、電容的物理本質 結構 兩個導體（板）之間夾著「介電質」（dielectric）形成電容。 ─┤├─ ↑↑ 電電電電電電電電電電電電電電 工作原理 當兩極板施加電壓時，正電荷累積在一板，負電荷累積在另一板， 形成電場。電容「儲存了能 量」。 電容值（Capacitance, C） 定義： 單位：法拉（Farad,
Read article →04-電感
第 1 章 4：電感（Inductor） 電感是儲存磁場能量的元件，是電容的「對偶」。在電源、濾波、射頻電路中扮演關鍵角色。 一、電感的物理本質 結構 最簡單的電感是「繞在磁芯上的線圈」（或空心線圈）： 電電電電電 ─⌒⌒⌒⌒─ 電電電電電電電電電電電電 工作原理：法拉第與楞次定律 當電流通過線圈時，會產生磁場（安培定律）。 當電流變化時，磁通變化感應出反向電壓（法拉第 定律），方向「反抗電流變化」（楞次定律）。 電感本質：電感的存在「
Read article →05-二極體
第 1 章 5：二極體（Diode） 二極體是最簡單的「半導體元件」，是進入主動元件世界的第一站。 理解二極體，是理解所有半導 體元件的基石。 一、什麼是二極體？ 定義 二極體是「單向導電」的元件：電流只能從一個方向流過。 電路符號： ─►│─ （（（（anode → （（（cathode（ ↑ bar （（（（（cathode（ 物理結構：PN 接面 二極體 = 一片 P 型半導體 + 一片 N 型半導體 接在一起。 P 型：摻雜「電
Read article →06-電晶體-BJT
第 1 章 6：BJT 雙極性接面電晶體 電晶體是 20 世紀最重要的發明之一，是所有現代電子的基石。 本章介紹歷史較早、概念較直觀的 BJT。 一、電晶體的革命 1947 年，Bell 實驗室的 Shockley、Bardeen、Brattain 發明了電晶體， 取代了真空管，開啟了 「半導體時代」。 電晶體的核心能力：用小電流/小電壓控制大電流，即「放大」。 兩大主流家族： - BJT（Bipolar Junction Transi
Read article →07-電晶體-FET-MOSFET
第 1 章 7：FET / MOSFET 場效電晶體 MOSFET 是「現代電子的主角」。所有 CPU、GPU、記憶體、開關電源，都是由 MOSFET 構成。 本章帶您理解這個改變世界的元件。 一、FET 家族 FET（Field Effect Transistor）家族： FET ├── JFET（Junction FET （（（（（（（（ │ ├── N （（ │ └── P （（ └── MOSFET（Metal-Oxide-Se
Read article →08-變壓器
第 1 章 8：變壓器（Transformer） 變壓器是電力電子的「主角」之一，也是電源供應器、隔離設計的核心。 一、變壓器的物理原理 結構 兩組線圈（初級 primary、次級 secondary）繞在共同磁芯上： ┌────磁磁────┐ ┌──[磁磁1]──┐ ┌──[磁磁2]──┐ AC ┤ N1 磁 │ │ N2 磁 ├─── AC out └───────────┘ └────────────┘ Primary Secon
Read article →09-繼電器與開關
第 1 章 9：繼電器與開關 繼電器和開關是「機械式」元件，雖然有半導體替代品，仍在許多場合不可或缺。 一、開關（Switch）的基本概念 觸點配置（Contact Configuration） 開關依觸點數量與切換能力分類： 縮寫 全名 描述 SPST Single Pole, Single Throw 單刀單擲（簡單 ON/OFF） SPDT Single Pole, Double Throw 單刀雙擲（A/B 切換） DPST D
Read article →10-電池與電源
第 1 章 10：電池與電源 電源是所有電子設備的「心臟」。本章介紹各種供電方式與電源管理元件。 一、電源供應的種類 概念架構 能能能 ├── AC 能能能110V / 220V能── AC/DC 能能 ──┐ ├── 能能能能能能能能──────────────────────┤ ├── 能能能 / 能能能能能能能能─ 能能能能 ──┤ └── USB / 能能能DC 能能能 ────────────────┤ ↓ [DC/DC 能能
Read article →11-基本電路定律
第 1 章 11：基本電路定律 本章整理電路分析的「核心定律」與「重要定理」，是進入中級電路設計的必備工具。 一、克希荷夫定律（Kirchhoff’s Laws） KCL（電流定律 Kirchhoff’s Current Law） 任何節點的電流代數和為零： 或更直觀： 物理本質：電荷守恆（節點不會「儲存」電荷）。 KVL（電壓定律 Kirchhoff’s Voltage Law） 沿任何封閉迴路的電壓代數和為零： 物理本質：能量守恆（
Read article →01-半導體物理基礎
第 2 章 1：半導體物理基礎 理解半導體物理，是理解所有電子元件的根基。本章用「直觀＋必要數學」兼顧。 一、從導體、絕緣體到半導體 能帶理論回顧 固體中電子能量呈「能帶」結構： - 價帶（Valence Band）：價電子所在 - 導帶（Conduction Band）：自由電子所在 - 能隙（Band Gap, E_g）：價帶頂到導帶底的能量差 三類材料的能帶結構 導導 (Cu, Ag) 導導導 (Si, Ge) 導導導 (導導)
Read article →02-PN接面
第 2 章 2：PN 接面（PN Junction） PN 接面是半導體電子學的「基本元件」，理解它就理解了二極體、BJT、MOSFET 的關鍵物理。 一、PN 接面的形成 製作方式 實際 PN 接面是在同一晶體上摻雜不同類型，不是兩塊半導體拼接。 製程方法：擴散、離子佈植、 磊晶等（詳見製造篇）。 接面形成瞬間（概念） P 型有大量電洞，N 型有大量電子。剛接觸時： P side N side [電電] [電電] ────► [電電]
Read article →03-二極體深入
第 2 章 3：二極體深入 本章以 PN 接面物理為基礎，深入分析各類特殊二極體。 一、整流二極體：物理層面 整流的核心需求 順向：低 V_F、高 I_F、低 R_S 反向：高 V_BR、低漏電、快速恢復 V_F 與摻雜濃度的取捨 重摻雜：V_F 低、漏電大、V_BR 低 輕摻雜：V_F 高、漏電小、V_BR 高 實際整流二極體常用「PIN」結構（P+ / Intrinsic / N+）： - P+ N+ 重摻雜降低 V_F - 中間
Read article →04-BJT原理深入
第 2 章 4：BJT 原理深入 從半導體物理的角度，深入理解 BJT 為什麼能放大。 一、BJT 的內部結構 NPN 結構（精確） E (Emitter) B (Base) C (Collector) N+ P N ────── ─── ───── 10¹⁹–10²⁰ 10¹⁶–10¹⁷ 10¹⁵–10¹⁶ 為什麼這樣設計？ 1. Emitter 重摻雜（N+） → 注入到 Base 的電子量遠大於 Base 注入回 Emitter
Read article →05-MOSFET原理深入
第 2 章 5：MOSFET 原理深入 MOSFET 是現代 IC 的主角，從手機 SoC 到數據中心的 CPU，都靠 MOSFET。 一、MOS 結構：從電容到電晶體 MOS 電容（Capacitor） MOSFET 的核心是「MOS 電容」結構： Gate (Metal/Polysilicon) ┌────────────────────┐ │ │ ├────────────────────┤ ← 氧氧氧氧SiO₂氧氧氧氧d_ox氧
Read article →06-IGBT與功率元件
第 2 章 6：IGBT 與功率元件 功率半導體是電力電子的核心：從手機充電器到電動車、太陽能、工業傳動。 一、功率半導體的需求 設計目標（互相衝突） 高耐壓（V_BR） 大電流（I_max） 低導通損耗（R_on 小） 高速切換（小寄生電容） 大 SOA（不易燒） 低成本 不同元件的取捨 元件 耐壓 速度 適合 功率 BJT 中 中 已少用 MOSFET 中（< 1kV） 高 中低壓、高頻 IGBT 高（> 600V） 中 中壓、中頻
Read article →07-閘流體與SCR
第 2 章 7：閘流體與 SCR 閘流體（Thyristor）家族是「latching（閂鎖式）」開關的代表，本章專門整理。 一、閘流體家族 Thyristor 閘閘閘 ├── SCR閘Silicon Controlled Rectifier閘閘閘閘閘閘閘閘閘閘 ├── TRIAC閘閘閘閘閘閘閘閘閘閘 ├── DIAC閘閘閘閘閘閘閘閘閘 ├── GTO閘Gate Turn-Off Thyristor閘閘閘閘閘閘閘 ├── IGCT閘In
Read article →08-光電元件
第 2 章 8：光電元件 光電元件將「光與電」連結，是顯示、感測、通訊的核心。 一、光與半導體的交互作用 光子能量 h：普朗克常數 6.626 × 10⁻³⁴ J·s c：光速 3 × 10⁸ m/s λ：波長 工程上常用： 兩種主要交互 1. 吸收（Photo-absorption） 光子 E_photon ≥ E_g → 提升一個電子到導帶 → 形成 e-h 對 - 應用：光電二極體、太陽能電池、 CCD/CMOS image se
Read article →09-半導體製程概論
第 2 章 9：半導體製程概論 從一塊沙子到智慧型手機的處理器，半導體製程是現代工業最複雜的奇蹟。本章帶您看完整流程。 深入細節在 06-製製製/01-IC製製製製.md。 一、半導體製造的全景 製製製製製製製製製製製製製SiO₂製 ↓ 製製製製製製製製製製製製製製>99.999%製 ↓ 製製製製製製製製製製製製製製製Czochralski 製製 ↓ 製製製製製製製製製製製製製wafer製200/300/450 mm製 ↓ 製製製製製製
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