1900-2050年電子技術(shù)的發(fā)展與展望

1、1900-2050年電子技術(shù)的發(fā)展與展望年電子技術(shù)的發(fā)展與展望數(shù)字電子技術(shù)專題研討 一、電子技術(shù) 概 述電子技術(shù)是根據(jù)電子學(xué)的原理，運(yùn)用電子器件設(shè)計和制造某種特定功能的電路以解決實際問題的科學(xué)。信息電子技術(shù)包括 Analog （模擬） 電子技術(shù)和 Digital （數(shù)字） 電子技術(shù)。電子技術(shù)是對電子信號進(jìn)行處理的技術(shù)，處理的方式主要有：信號的發(fā)生、放大、濾波、轉(zhuǎn)換。隨著電子技術(shù)的大力發(fā)展和研究，人類在科技方面得到了顯著地飛躍，同時在軍事上電子技術(shù)的應(yīng)用也是無處不在，未來軍事將是電子技術(shù)的戰(zhàn)爭。所以如何發(fā)展電子技術(shù)對于每個國家都是刻不容緩，可以說電子技術(shù)真正的把戰(zhàn)爭帶到了信息時代。電子技術(shù)無處不

2、在：近至計算機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂播放器、彩電、音響等生活常用品，遠(yuǎn)至工業(yè)、航天、軍事等領(lǐng)域都可看到電子技術(shù)的身影。電子技術(shù)是十九世紀(jì)末，二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，它在二十世紀(jì)的迅速發(fā)展大大推動了航空技術(shù)、遙測傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，因此它成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。研究電子技術(shù)的發(fā)展不僅可以了解到各種電子技術(shù)，對現(xiàn)在的電子技術(shù)起到促進(jìn)作用，還能根據(jù)電子技術(shù)的發(fā)展來瞻仰未來電子技術(shù)發(fā)展的前景。發(fā)展階段晶體管階段電子管階段集成電路超大規(guī)模集成電路Made by H.R.Z二、1900年至今電子技術(shù)的發(fā)展電子管時代電子管，是一種最早期的電信號放大器件

3、。被封閉在玻璃容器（一般為玻璃管）中的陰極電子發(fā)射部分、控制柵極、加速柵極、陽極（屏極）引線被焊在管座上。利用電場對真空中的控制柵極注入電子調(diào)制信號，并在陽極獲得對信號放大或反饋振蕩后的不同參數(shù)信號數(shù)據(jù)。早期應(yīng)用于電視機(jī)、收音機(jī)擴(kuò)音機(jī)等電子產(chǎn)品中，近年來逐漸被半導(dǎo)體材料制作的放大器和集成電路取代，但目前在一些高保真的音響器材中，仍然使用低噪聲、穩(wěn)定系數(shù)高的電子管作為音頻功率放大器件。晶體管時代1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀(jì)的一項重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個小巧的、消耗功率

4、低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的降生吹響了號角。20世紀(jì)最初的10年，通信系統(tǒng)已開始應(yīng)用半導(dǎo)體材料。20世紀(jì)上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機(jī)，就采用礦石這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行檢波。半導(dǎo)體的電學(xué)特性也在電話系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后，他們利用兩個靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點(diǎn)，來代替金箔接點(diǎn)，制造了“點(diǎn)接觸型晶體管”。1947年12月，這個世界上最早的實用半導(dǎo)體器件終于問世了，在首次試驗時，它能把音頻信號放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。在為這種器件命名時，布拉頓想到它

5、的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來工作的，于是取名為trans-resister(轉(zhuǎn)換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。由于點(diǎn)接觸型晶體管制造工藝復(fù)雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障，它還存在噪聲大、在功率大時難于控制、適用范圍窄等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，肖克萊提出了用一種“整流結(jié)”來代替金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)的大膽設(shè)想。半導(dǎo)體研究小組又提出了這種半導(dǎo)體器件的工作原理。1950年，第一只“PN結(jié)型晶體管”問世了，它的性能與肖克萊原來設(shè)想的完全一致。今天的晶體管，大部分仍是這種PN結(jié)型晶體管。(所謂PN結(jié)就是P型和N型的結(jié)合處。P型多空穴。N型多電子

6、。)1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。集成電路時代集成電路發(fā)明者為杰克基爾比（基于硅的集成電路）和羅伯特諾伊思（基于鍺的集成電路）。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。1952年，英國雷達(dá)研究所的一個著名科學(xué)家達(dá)默提出能否將晶體管等元件不通過連接線而直接集成在一起從而構(gòu)成一個有特定功能的電路。之后，美國得克薩斯儀器公司的基比爾按其思路，于1958年制成了第一個集成電路的模型，1959年德州儀器公司宣布發(fā)明集成電路，從此，電子技術(shù)進(jìn)入集成電路時代。集成電路的發(fā)展 時期時期規(guī)模規(guī)模集成度集成度50年代末年代末小規(guī)模集成電路（SSI）10060年代年

7、代中規(guī)模集成電路（MSI）100070年代年代大規(guī)模集成電路（LSI）100070年代末年代末超大規(guī)模集成電路（VLSI）1000080年代年代特大規(guī)模集成電路（ULSI）100000超大規(guī)模集成電路時代1958年，貝爾實驗室制造出金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），盡管它比雙極型晶體管晚了近十年，但由于其制造工藝簡單，為集成化提供了有利條件。隨著硅平面工藝技術(shù)的發(fā)展，MOS集成電路遵循Moore定律，即一個芯片上所集成的器件，以每隔18個月提高一倍的速度向前飛速發(fā)展。至今集成電路的集成度已提高了500萬倍，特征尺寸縮小200倍，單個器件成本下降100萬倍。以計算機(jī)的核心CPU的規(guī)模

8、為例：1971年，Intel推出世界上第一塊微處理器4004，線寬10m，集成2300個晶體管；1979年，第一塊成功用于個人電腦的CPU 8088內(nèi)含2.9萬個晶體管，線寬2m；1989年,80486芯片集成12萬個晶體管，首次突破了100萬個的界限，同時，線寬也突破了1m，達(dá)到08m。而現(xiàn)在，Intel公司更是將其生產(chǎn)工藝提升到013m，其Northwood Penfium4處理器已集成5200萬個晶體管。如今，193nm DUV技術(shù)（ArF準(zhǔn)分子激光）可降光刻的特征尺寸推進(jìn)到0.090m 特征尺寸。三、現(xiàn)代新型電子技術(shù)自組織隔離膜自組織隔離膜與原來的ALD (atomic layerde

9、position)法生成的膜相比，密著性和質(zhì)量高，有望應(yīng)用于新一代銅布線。東芝從2005年開始在各種學(xué)會上發(fā)布這項技術(shù)。在絕緣膜的溝道上濺射生成CuMn，嵌入Cu后進(jìn)行加熱，Mn發(fā)生擴(kuò)散，在絕緣膜之問的界面上與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成隔離膜(MnOx或MnSixOy)。隔離膜厚度僅23 nm，這樣便使銅布線的實際截面面積增大。另外，連接下層和上層布線的過孔底部不接觸氧氣因此不會生成隔離膜，可提高布線的連接可靠性。絕緣體電子技術(shù)超高速電子正在迅速填補(bǔ)最高不過數(shù)百GHz的半導(dǎo)體和可以達(dá)到數(shù)百THz的光學(xué)頻率之間的“THz差距”。頻率達(dá)到THz時的波長通常以毫米為單位，而承諾填補(bǔ)“THz差距”的新技術(shù)，正是

10、Phiar公司發(fā)明的新型金屬一絕緣體電子技術(shù)，其演示頻率已達(dá)38 THz。Phiar和摩托羅拉實驗室聯(lián)合完成了一一項以Phiar的金屬一絕緣體二極管為基礎(chǔ)的60 GHz天線開發(fā)工作，這種天線能實現(xiàn)數(shù)Gb的無線射頻，可用來傳送多通道的未經(jīng)壓縮的高清視頻信號。采用Phiar公司的技術(shù)后，60 GHz的無線信號可以在并不昂貴的模擬金屬一絕緣體電路幫助下降為23 GHz信號，從而在消費(fèi)設(shè)備之間實現(xiàn)高清視頻的無線傳送。柔性混合材料電子技術(shù)這種混合電子技術(shù)，能充分融合傳統(tǒng)的柔性電子元器件、高性能電子產(chǎn)品和新興的3D光學(xué)精密機(jī)械打印方法，能將金屬、聚合物和有機(jī)材料整合，將整個系統(tǒng)以電子方式連接在一起。用這種

11、技術(shù)，可以制成幾百個納米厚的硅集成電路，使其成為像塑料一樣柔軟、可以彎曲甚至折疊的基材。用特殊方法制作的超薄可折疊材料允許電路很貼合材料空間，甚至融入復(fù)雜的諸如飛機(jī)機(jī)翼或人類皮膚的彎曲表面。在飛行器中，這種混合柔性系統(tǒng)可用來監(jiān)測壓力和應(yīng)力；通過微型嵌入式天線，可向地面人員報告飛行員的健康信息；可穿戴的生物傳感器在測量心跳、出汗水平、溫度和其他生命體征的同時，還能實時測量疲勞和潛在認(rèn)知問題的指標(biāo)。四、未來電子技術(shù)展望生物分子晶體管生物由于有著其先天的優(yōu)勢，在智能化和速度上相對半導(dǎo)體有很大的改善，如今利用BR蛋白質(zhì)和發(fā)光染料分子可研制成一種具有電子功能的蛋白質(zhì)的分子集成膜，這是一種可使分子周圍的勢

12、場得到控制的新型的邏輯元件。例如美國密歇根立韋思大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物分子信息小組的科學(xué)家研制出作為“神經(jīng)元”的邏輯元件；美國錫拉丘茲大學(xué)的研究人員也利用BR蛋白質(zhì)制作光導(dǎo)“與門”。對BR蛋白質(zhì)進(jìn)行光照循環(huán)時，它會按一定的順序發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，對結(jié)構(gòu)變化中的不同狀態(tài)可分別用0和1表示.因此利用蛋白質(zhì)可記錄數(shù)字信息的性質(zhì)研制成光學(xué)存貯器.如美國的科克分子電子學(xué)中心開發(fā)的存貯系統(tǒng),它是在2. 54 cm 2. 54 cm 5. 08 cm 大小的透明容器里填以聚丙烯酰胺凝膠并把BR蛋白質(zhì)放進(jìn)其中,以構(gòu)成存放數(shù)據(jù)的三維陣列。極限集成電路工藝人類目前超大規(guī)模集成電路的設(shè)計已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平?，F(xiàn)在世界上最小的芯

13、片的寬度僅有一個人手指相鄰兩條指紋的大小，然而其集成度卻達(dá)到了令人難以想象的水平。雖然根據(jù)摩爾定律的預(yù)言，電路的集成度終將到達(dá)一個極限。然而隨著納米電子學(xué)和光電子學(xué)的不斷發(fā)展和漸漸成熟，未來的電子科學(xué)與技術(shù)終將實現(xiàn)巨大的進(jìn)步。我們目前所用的光纖通信就跟光電子學(xué)息息相關(guān)，這種通信方式相對于我們平常使用的無線電通信有著很多優(yōu)點(diǎn)，例如它的通信容量大，傳輸距離遠(yuǎn)，無輻射，難于竊聽，抗電磁干擾，通信質(zhì)量佳等等都是無線電通信難以比擬的。多元化的傳感器計算機(jī)及傳感器是一個電子產(chǎn)品或設(shè)備的大腦和感官器官，如今進(jìn)入21世紀(jì)，一切硬件設(shè)備的智能化，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展是一種趨勢，未來將會萬物互聯(lián)。因此基于電力電子技術(shù)的微機(jī)（芯片）以及傳感器技術(shù)將會是這個時代的推動者，因此我覺得這些領(lǐng)域是我國應(yīng)該著重發(fā)展的，然而