1900-2050年电子技术的发展与展望.ppt

,概 述 电子技术是根据电子学的原理，运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学。信息电子技术包括 Analog （模拟） 电子技术和 Digital （数字） 电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波、转换。随着电子技术的大力发展和研究，人类在科技方面得到了显著地飞跃，同时在军事上电子技术的应用也是无处不在，未来军事将是电子技术的战争。所以如何发展电子技术对于每个国家都是刻不容缓，可以说电子技术真正的把战争带到了信息时代。电子技术无处不在：近至计算机、手机、数码相机、音乐播放器、彩电、音响等生活常用品，远至工业、航天、军事等领域都可看到电子技术的身影。电子技术是十九世纪末，二十世纪初开始发展起来的新兴技术，它在二十世纪的迅速发展大大推动了航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术以及网络技术的迅速发展，因此它成为近代科学技术发展的一个重要标志。研究电子技术的发展不仅可以了解到各种电子技术，对现在的电子技术起到促进作用，还能根据电子技术的发展来瞻仰未来电子技术发展的前景。,发展阶段,晶体管阶段,电子管阶段,集成电路,超大规模集成电路,Made by H.R.Z,电子管时代 电子管，是一种最早期的电信号放大器件。被封闭在玻璃容器（一般为玻璃管）中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管座上。利用电场对真空中的控制栅极注入电子调制信号，并在阳极获得对信号放大或反馈振荡后的不同参数信号数据。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被半导体材料制作的放大器和集成电路取代，但目前在一些高保真的音响器材中，仍然使用低噪声、稳定系数高的电子管作为音频功率放大器件。,晶体管时代 1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。20世纪最初的10年，通信系统已开始应用半导体材料。20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机，就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。 巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后，他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点，来代替金箔接点，制造了“点接触型晶体管”。1947年12月，这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了，在首次试验时，它能把音频信号放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。 在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resister(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。 由于点接触型晶体管制造工艺复杂，致使许多产品出现故障，它还存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点，肖克莱提出了用一种“整流结”来代替金属半导体接点的大胆设想。半导体研究小组又提出了这种半导体器件的工作原理。 1950年，第一只“PN结型晶体管”问世了，它的性能与肖克莱原来设想的完全一致。今天的晶体管，大部分仍是这种PN结型晶体管。(所谓PN结就是P型和N型的结合处。P型多空穴。N型多电子。) 1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。,集成电路时代 集成电路发明者为杰克基尔比（基于硅的集成电路）和罗伯特诺伊思（基于锗的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。 1952年，英国雷达研究所的一个著名科学家达默提出能否将晶体管等元件不通过连接线而直接集成在一起从而构成一个有特定功能的电路。之后，美国得克萨斯仪器公司的基比尔按其思路，于1958年制成了第一个集成电路的模型，1959年德州仪器公司宣布发明集成电路，从此，电子技术进入集成电路时代。,集成电路的发展,超大规模集成电路时代 1958年，贝尔实验室制造出金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），尽管它比双极型晶体管晚了近十年，但由于其制造工艺简单，为集成化提供了有利条件。随着硅平面工艺技术的发展，MOS集成电路遵循Moore定律，即一个芯片上所集成的器件，以每隔18个月提高一倍的速度向前飞速发展。至今集成电路的集成度已提高了500万倍，特征尺寸缩小200倍，单个器件成本下降100万倍。以计算机的核心CPU的规模为例：1971年，Intel推出世界上第一块微处理器4004，线宽10m，集成2300个晶体管；1979年，第一块成功用于个人电脑的CPU 8088内含2.9万个晶体管，线宽2m；1989年,80486芯片集成12万个晶体管，首次突破了100万个的界限，同时，线宽也突破了1m，达到08m。而现在，Intel公司更是将其生产工艺提升到013m，其Northwood Penfium4处理器已集成5200万个晶体管。如今，193nm DUV技术（ArF准分子激光）可降光刻的特征尺寸推进到0.090m 特征尺寸。,自组织隔离膜 自组织隔离膜与原来的ALD (atomic layerdeposition)法生成的膜相比，密着性和质量高，有望应用于新一代铜布线。东芝从2005年开始在各种学会上发布这项技术。在绝缘膜的沟道上溅射生成CuMn，嵌入Cu后进行加热，Mn发生扩散，在绝缘膜之问的界面上与氧气发生反应生成隔离膜(MnOx或MnSixOy)。隔离膜厚度仅23 nm，这样便使铜布线的实际截面面积增大。另外，连接下层和上层布线的过孔底部不接触氧气因此不会生成隔离膜，可提高布线的连接可靠性。,绝缘体电子技术 超高速电子正在迅速填补最高不过数百GHz的半导体和可以达到数百THz的光学频率之间的“THz差距”。频率达到THz时的波长通常以毫米为单位，而承诺填补“THz差距”的新技术，正是Phiar公司发明的新型金属一绝缘体电子技术，其演示频率已达38 THz。Phiar和摩托罗拉实验室联合完成了一一项以Phiar的金属一绝缘体二极管为基础的60 GHz 天线开发工作，这种天线能实现数Gb的无线射频，可用来传送多通道的未经压缩的高清视频信号。采用Phiar公司的技术后，60 GHz的无线信号可以在并不昂贵的模拟金属一绝缘体电路帮助下降为23 GHz信号，从而在消费设备之间实现高清视频的无线传送。,柔性混合材料电子技术 这种混合电子技术，能充分融合传统的柔性电子元器件、高性能电子产品和新兴的3D 光学精密机械打印方法，能将金属、聚合物和有机材料整合，将整个系统以电子方式连接在一起。用这种技术，可以制成几百个纳米厚的硅集成电路，使其成为像塑料一样柔软、可以弯曲甚至折叠的基材。 用特殊方法制作的超薄可折叠材料允许电路很贴合材料空间，甚至融入复杂的诸如飞机机翼或人类皮肤的弯曲表面。在飞行器中，这种混合柔性系统可用来监测压力和应力；通过微型嵌入式天线，可向地面人员报告飞行员的健康信息；可穿戴的生物传感器在测量心跳、出汗水平、温度和其他生命体征的同时，还能实时测量疲劳和潜在认知问题的指标。,生物分子晶体管 生物由于有着其先天的优势，在智能化和速度上相对半导体有很大的改善，如今利用BR蛋白质和发光染料分子可研制成一种具有电子功能的蛋白质的分子集成膜，这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型的逻辑元件。例如美国密歇根立韦思大学医学院生物分子信息小组的科学家研制出作为“神经元”的逻辑元件；美国锡拉丘兹大学的研究人员也利用BR蛋白质制作光导“与门”。对BR蛋白质进行光照循环时，它会按一定的顺序发生结构变化，对结构变化中的不同状态可分别用0和1表示.因此利用蛋白质可记录数字信息的性质研制成光学存贮器.如美国的科克分子电子学中心开发的存贮系统,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胶并把BR蛋白质放进其中,以构成存放数据的三维阵列。,极限集成电路工艺 人类目前超大规模集成电路的设计已经达到了相当高的水平。现在世界上最小的芯片的宽度仅有一个人手指相邻两条指纹的大小，然而其集成度却达到了令人难以想象的水平。虽然根据摩尔定律的预言，电路的集成度终将到达一个极限。然而随着纳米电子学和光电子学的不断发展和渐渐成熟，未来的电子科学与技术终将实现巨大的进步。我们目前所用的光纤通信就跟光电子学息息相关，这种通信方式相对于我们平常使用的无线电通信有着很多优点，例如它的通信容量大，传输距离远，无辐射，难于窃听，抗电磁干扰，通信质量佳等等都是无线电通信难以比拟的。,多元化的传感器 计算机及传感器是一个电子产品或设备的大脑和感官器官，如今进入21世纪，一切硬件设备的智能化，以及物联网技术的发展是一种趋势，未来将会万物互联。因此基于电力电子技术的微机（芯片）以及传感器技术将会是这个时代的推动者，因此我觉得这些领域是我国应该着重发展的，然而现阶段我国的微