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[请教，资料] 发生“光电效应 photoelectric effect”的最短空间距离是多小 （关联：延续“摩尔定律 Moore's law”）

摩尔定律： Moore's law

光电效应： photoelectric effect

逻辑与： logical AND

逻辑或： logical OR

算数乘法： arithmetic multiplication

算数加法： arithmetic addition

光致发光： photoluminescence

图1  德福雷斯特 Lee de Forest, 1873-08-26 ~ 1961-06-30， 87. 真空三极管发明人

http://www.moebius-bcn.com/wp-content/uploads/2012/06/3013.jpg

http://www.moebius-bcn.com/lee-de-forest/

核心：

   （1）采用“放大”能力为首的电子管、晶体管等，来完成算数逻辑“运算”，似乎不是最优的技术途径。

   （2）更好的技术途径，应该是直接将算数逻辑“运算”能力作为设计的基本单元。亦即，直接实现“逻辑与”、“逻辑或”；“算数加”、“算数乘”等运算。

   抱歉，博文标题的提法有点不科学。我实在不知道该怎么提问。

   我是教本科生《电工学》的教师，不是集成电路方面的人员。

   过去人类发明电子管、晶体管，“放大”能力是首要的。

   今天信息时代，“运算”能力是首要的。

   不再像过去一样将晶体管、电阻等作为基本设计单元，而是改变为将“运算”部件作为设计的优化基本单元。亦即，直接将具有“运算”功能的“与非门”、“或非门”、“模拟运算放大器”等作为设计的最基本结构。

一、用“电致发光”、“光电效应”进行“与或非”逻辑运算

   通俗地说，

   “电致发光”，就是一通电就发光，如发光二极管，日光灯管。

   “光电效应”，就是光线一照射，就开始有电流。

   将“电致发光”、“光电效应”配合在一起，就可以完成“与或非”逻辑运算；甚至完成算数“加法”、“乘法”运算，等等。

   示意图如下（图2）。这是一个三输入、一输出的“逻辑与”运算。三个“控制光”对应三个输入；光电效应的电流对应输出。

   三个“控制光”由“电致发光”产生。当三个“控制光”都“有光”时，下面的光电效应材料发出光电子，形成电流。这等于直接实现了逻辑“与”的运算。

图2  “电致发光”、“光电效应”配合，直接完成算数和逻辑“运算”

   图3，是“与门”的示意图。如果材料的线性度足够高，就可以实现“算数乘法”。

图3  “与门”的示意图。如果材料的线性度足够高，可以实现“算数乘法”

   图4，是“或门”的示意图。如果材料的线性度足够高，就可以实现“算数加法”。

图4  “或门”的示意图。如果材料的线性度足够高，可以实现“算数加法”

   更多细节，请看：

（1）2023-12-04，用光做“算术加法”和“逻辑与”运算，科学智慧火花

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525819.html

（2）2023-12-03，[心得] “光电效应”做“算术加法”或者“逻辑与”运算

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1412302.html

二、请教：发生“光电效应 photoelectric effect”的最短空间距离是多少？

   现在，您应该明白我的问题了。

   在图2里，发光的“电致发光”材料，和下面的“光电效应”材料之间，最短的空间距离是多少？

   不太懂“电致发光”和“光电效应”。只是听说“光电效应”材料需要吸收“光子”。

   所以，请问，图2里发光的“电致发光”材料，和下面的“光电效应”材料之间，最短的空间距离，必须大于一个光子吗？必须是光子波长的整数倍吗？……

   换言之，就是请教图2所示的原理，集成度可以到多高，运算的速度可以有多快？……

   对延续摩尔定律，是不是真的有潜在的希望？

   我还没有时间、没有精力去查找。

   只知道光电效应的速度比“fs, 飞秒，10^–15s 秒”还快。

   这样，运算器件的工作频率不低于 PHz （拍[它]赫兹，10⁶ GHz 吉[咖]赫兹）。还是相当不错的。

doi:  10.1038/s41586-018-0503-6

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0503-6#Sec1

   所以，要是有对应速度的“电致发光 electroluminescence”，以及微小距离的“光电效应 photoelectric effect”，逻辑运算的速度就是现在电子计算机的 10⁵ 倍（几十万倍以上）！

三、我智商不够，实在没有时间，没有精力

图5  PCB-design.jpg

https://technofaq.org/wp-content/uploads/2019/10/PCB-design.jpg

https://technofaq.org/posts/2019/10/improving-quality-with-proper-printed-circuit-board-design/

   图5是一个“印刷电路板 printed circuit board, PCB”。

   上面的黑色方块，大都是“集成电路芯片 Integrated circuit chip”。印刷电路板，以芯片、电阻等为基本单元。

图6  Anyone need a i5-6500 p4_die.jpg

http://www.deskpicture.com/DPs/Technology/p4_die.jpg

https://forums.anandtech.com/threads/anyone-need-a-i5-6500.2459829/

   图6是一个“芯片的裸图 bare, bare die”。

   芯片内部，也是由功能划分的。

   我现在的想法，是“更直接、更紧凑”地设计常见的“功能”部件，在相对意义上进一步提高集成度。如，将“与非门”、“触发器”，“运算放大器”等作为比芯片更基础的设计单元。

   也可以说，这些新型的“功能”部件，是“集成电路”内部的又一级更基础的“集成电路”。

   请对照图5“印刷电路板 PCB”所示的类比：

   PCB ←→ 芯片；

   黑色方块 ←→ “更直接、更紧凑”设计的“功能”部件。

   该思路，还可以用于集成光学等其它的信息技术中。

   这就是本文的意图。

   进行相关效应的基础性原理分析，可达到的各种技术指标的上限，拟采用的材料筛选和研发，是现在应该进行的。本文主要提供“新思路”，还没有到具体“技术”的研发。

参考资料：

[1] 2022-01-20，电致发光/electroluminescence/朱鹤年，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=134388&Type=bkzyb&SubID=95646

   电流或电场作用于物质，电能直接转换为光能的发光现象。如各种气体放电（包括火花放电、辉光放电及弧光放电等）所产生的发光现象。电子束流（包括阴极射线）激发的发光也可归入电致发光。

[2] 2022-12-23，电致发光/electroluminescence/张树宇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=232190&Type=bkzyb&SubID=149875

[3] 2023-01-14，电致发光/electroluminescence/张晓东，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=297120&Type=bkzyb&SubID=121455

[4] 2023-09-07，光电效应/photoelectric effect/杨容，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=581139&Type=bkzyb&SubID=100024

   在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发逸出而形成电流的现象。

   光电效应具有瞬时性，即使入射光强度非常微弱，在入射光照射后立即产生光电流，响应时间不超过10-9秒。

[5] 2022-01-20，光电效应/photoelectric effect/徐湛，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=151344&Type=bkzyb&SubID=95660

[6] 2022-12-23，光电效应/photoelectric effect/吴王锁，吴涵玉，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=156450&Type=bkzyb&SubID=140582

[7] M. Ossiander, J. Riemensberger, S. Neppl, M. Mittermair, M. Schäffer, A. Duensing, M. S. Wagner, R. Heider, M. Wurzer, M. Gerl, M. Schnitzenbaumer, J. V. Barth, F. Libisch, C. Lemell, J. Burgdörfer, P. Feulner, R. Kienberger. Absolute timing of the photoelectric effect [J]. Nature, 2018, 561(7723): 374-377

doi:  10.1038/s41586-018-0503-6

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0503-6#Sec1

[8] 2022-12-30，光子模数转换/photonic analog-to-digital conversion/陈建平，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=108823&Type=bkzyb&SubID=80688

   当采样率超过每秒千兆采样时，由于“电子瓶颈”（包括时钟抖动、比较器模糊、热噪声等）的限制，很难同时提高采样率和量化精度。光子没有静止质量、不带电荷，在处理高速、宽带信号方面具有独特优势。光子模数转换正是利用光子学这一优势来克服电子瓶颈效应的。

[9] 程亚. 铌酸锂集成光路：孕育自主产业链的前沿基础研究[J]. 物理, 2020, 49(5): 277-284.

doi:  10.7693/wl20200501

https://wuli.iphy.ac.cn/article/doi/10.7693/wl20200501

   2008 年，集成光路领域的先驱之一，伊万·卡米诺夫，在他的一篇回顾性论文中总结了若干阻碍集成光路技术发展的重要瓶颈[2]：

   (1) 集成光路通常同时包含无源和有源光子结构，而制备有源光子器件往往需要采用比硅更难驾驭的二元、三元和四元衬底材料；

   (2) 受衍射规律限制，集成光路中光子器件结构的最小特征尺寸约在光波长量级，而集成电路中电子器件结构的最小特征尺寸受限于远小于光波长的电子的德布罗意波长，这意味着集成光路上的器件密度通常要远低于集成电路中的电子器件密度；

   (3) 集成光路中往往包含多种不同功能的元器件，如激光器、探测器、调制器、多路复用器、衰减器等，而这些器件所依赖的材料特性或加工工艺往往不能相互兼容；

   (4) 面向高容量、低成本的大规模光子集成应用尚未充分被发掘。

[10] 中国科学院，科学智慧火花，杨正瓴，2023-12-04，用光做“算术加法”和“逻辑与”运算

https://idea.cas.cn/zhhh/gcjskxygjs/gcjskxygjs_dzyxx/info/2023/525819.html

[11] 2022-01-20，光学功能材料/optical functional materials/邵宗书，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=187582&Type=bkzyb&SubID=109399

[12] 2023-08-02，光功能晶体/optical function crystal/胡强强，陶绪堂，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=60452&Type=bkzyb&SubID=80474

[13] 2022-06-09，光电功能材料/photoelectric functional material/王继扬，吴以成，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=139589&Type=bkzyb&SubID=95670

[14] 2022-01-20，光折变晶体/photorefractive crystals/詹红兵，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=187593&Type=bkzyb&SubID=109401

   由光致空间电荷场通过线性电光效应引起折射率变化的电光晶体材料。

[15] 2022-12-23，光致发光/photoluminescence/张树宇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=232189&Type=bkzyb&SubID=149875

[16] 2022-01-20，光致发光/photoluminescence/郭奕玲，朱鹤年，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=134327&Type=bkzyb&SubID=95646

[17] 2023-03-15，磁光效应/magneto-optic effect/李国栋、胡望雨、白本锋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=133583&Type=bkzyb&SubID=95660  

[18] 杨正瓴. 一种新型集成电路概念—— 串音计算[N]. 中国科学报, 2019-08-15 第7版 信息技术

https://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?t=&id=33020

https://paper.sciencenet.cn/dz/upload/2019/8/201981505629684.pdf

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/8/348727.shtm

https://paper.sciencenet.cn/dz/dzzz_1.aspx?dzsbqkid=33013

[19] 1995，关于“互容”概念的意义[J]. 电气电子教学学报，1995，17(4): 35-39.

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQDZ199504010.htm

https://www.cqvip.com/doc/journal/986242635

https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/Ch9QZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjUwMTA0MTcwMjI2Eg5RSzE5OTUwMDA0NjA5MhoIZHI1YmViOWs%3D

相关链接：

[1] 2023-12-03，[心得] “光电效应”做“算术加法”或者“逻辑与”运算

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1412302.html

[2] 2024-12-09，[打听，资料] “光电效应 photoelectric effect”的响应速度

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1463602.html

[3] 2021-09-16，薛定谔的第三只猫（光电效应）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1304459.html

[4] 2025-01-05，[优先权，笔记] 以“功能部件”为设计单元：以JK触发器为例的思考 （关联：延续“摩尔定律 Moore's law”）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467522.html

[5] 2025-01-04，[请教，讨论] 延续摩尔定律：以“功能部件”为设计单元？ （关联：“半电路、半电磁场”集成电路）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467381.html

[6] 2024-06-26，[自然运算] 感谢《科学智慧火花》给贴出：用光做“算术加法”和“逻辑与”运算、用“压电效应”做数学运算 2 文

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1439870.html

[7] 2023-12-26，[优先权？] “自然运算”原理示意图（草图，2023-12-20 绘制）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415467.html

[8] 2023-12-27，[笔记，请教，原创] “自然运算”有什么创新？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1415592.html

[9] 2025-01-03，[打听，讨论] 谁是未来的主要计算机：超导、纳米（纳米管技术）、光学（光子）、DNA（生物）、量子计算机等

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467265.html  

[10] 2023-12-04，[展望] 计算机：“再见，晶体管。辛苦了，谢谢您！”

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1412453.html  

[11] 2024-10-16，[怀旧，展望] 电磁场仿真软件：首选的“半电路、半电磁场”电路设计技术途径

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1455627.html

[12] 2023-08-21，[征求意见稿] “半电路、半电磁场”电路：目标和现状

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1399839.html

[13] 2019-07-10，电路概念《互容》汇报后记

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1188921.html

同组博文：

[1] 2025-01-04，电子学（1）：硬件（晶体管、集成电路、等）相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467362.html

[2] 2025-01-04，电子学（2）：“历史、人物”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467373.html

[3] 2025-01-04，电子学（3）：“教学、备课等”相关博文目录

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1467376.html

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