信息材料基础-第一章-绪论综述.ppt

2020 4 22 1 信息材料基础第一章绪论 信息时代信息技术信息材料 2020 4 22 2 2020 4 22 3 0 1信息时代 人类社会时代变迁 劳动 土地密集 机器 工厂为主 产生传输地位 2020 4 22 4 是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息 它一般泛指我们所说的消息 情报 指令 数据及信号等周围环境的知识 信息 物质 材料 和能量构成世界的三大要素 信息 可传递性和共享性信息必须依附于载体信息的可处理性信息的时效性 信息的主要特征 2020 4 22 5 一是信息成为最为重要的战略资源 二是信息产业上升为最重要的产业 三是信息网络成为社会的基础设置 伊拉克战争非对称性 微软苹果 WTO全球化一体化地球村 2020 4 22 6 全球信息量增长趋势 2020 4 22 7 20世纪90年代初全球互联网用户还不到9万 1999年为1 7亿 2000年为4 14亿因特网信息传输量增长率 300 每天电子邮件 14亿封2000年 全球网页21亿个2000年 与因特网相连的主机7240万台 而1993年只有131万台 全球因特网用户发展趋势 2020 4 22 8 亚太地区国际互联带宽发展趋势 2020 4 22 9 1992年 当时的参议员 前美国副总统阿尔 戈尔提出美国信息高速公路法案 1993年9月 美国政府宣布实施一项新的高科技计划 国家信息基础设施 NationalInformationInfrastructure 简称NII 旨在以因特网为雏形 兴建信息时代的高速公路 信息高速公路 使所有的美国人方便地共享海量的信息资源 信息高速公路 InformationHighway 实质上是高速信息电子网络 它是一个能给用户随时提供大量信息 由通信网络 计算机 数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系 开发和实施信息高速公路计划 不仅促进信息科学技术的发展 而且有助于改变人们的生活 工作和交往方式 2020 4 22 10 0 2信息技术 是指信息的获取 存储 处理 传输和显示的技术 即人们对信息的获取 处理和应用的能力 信息技术 信息技术 信息获取技术 信息处理技术 信息传递技术 信息存储技术 信息显示技术 人类史上的五次信息技术革命 2020 4 22 11 语言的使用 造纸术和印刷术的应用 文字的使用 电报 电话 广播 电视的发明与普及应用 计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合 口耳相传便于信息传输和收集 易于存储克服时间局限 存储空间传播范围 速度容量时空界限 信息技术的应用 2020 4 22 12 网上学校 现代远程教育 信息高速公路 地球村 自动取款机 可视电话 远程诊疗 网上购物 信息检索 电子邮件 2020 4 22 13 20世纪以来 信息技术经历 电子学和微电子学技术信息的载体电子光电子学技术信息的载体电子和光子光子学技术信息的载体光子 2020 4 22 14 0 3信息材料 0 3 1概述 能源 信息和材料是现代文明的三大支柱 而材料又是一切技术发展的物质基础 材料的重要性 材料是人类进化史上的里程碑 历史学家曾用材料来划分时代 2020 4 22 15 存储器材料的变迁大致可分为四个阶段 由1955年的存储器为水银延迟线 1963年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧体磁心 1970年涂敷的氧化铁粉 磁盘 近10年光存储技术 可擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类 光通信系统材料 低损耗光纤 光导纤维 高纯石英搀杂P Ge等元素 氟化物玻璃光导纤维 化合物半导体激光器 大屏幕显示等相关材料的研制是其发展的基础和核心 电子工业数千亿的全球市场 90 的市场份额是硬件及其相关材料 2020 4 22 16 新能源技术 如受控核聚变 太阳能利用 地热发电 磁流体发电 氢能贮存等方面的发展 很大程度上取决于新材料研制和开发 例 太阳能是目前人类受惠最大的自然资源 但太阳能是低值能源 只能达到1KW m2 且转换率只10 20 要提高发电效率 必须从集热体 半导体材料方向进行突破 太阳能电池材料中目前最有希望大量应用的是硅太阳能电池 单晶硅光电池光电转换效率高 但材料价格较贵 多晶硅光电池效率只达13 半导体GaAs的转换效率可达20 28 采用多层复合结构 通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率 IBM公司研制的多层复合太阳能电池 转换效率高达40 2020 4 22 17 2020 4 22 18 人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点 但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温 使这种理想只能是空中楼阁 直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料 才使喷气发动机的制造得以实现 同样 如果没有1970年制成的使光强度衰减降低到可以实用的光导纤维 也不会有现代的光通信 如果不能制成高纯度大直径的硅单晶 就不会有高度发展的集成电路 也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备 2020 4 22 19 生态环境不断恶化 资源加速枯竭 世界人口迅速增长 材料是现代文明的重要支柱 科学技术进一步发展 人类生活水平进一步提高 对材料科学领域提出了更高的要求 结构材料功能材料 2020 4 22 20 利用其力学性质 要求在使用条件下能承受一定的载荷 通过光 电 磁 声 热 湿 气 生物等特性而完成特定功能的材料 0 3 2材料分类 2020 4 22 21 功能材料分类 材料的物质性 材料的功能性 材料的应用性 金属功能材料形状记忆合金 贮氢合金 减振合金 超耐热合金 非晶态合金 超导合金等无机非金属功能材料热功能陶瓷 光功能陶瓷 磁功能陶瓷 精密电子陶瓷 功能转化陶瓷 超硬陶瓷 生物功能陶瓷等有机功能材料导电高分子材料 液晶聚合物材料 光功能高分子材料 高分子分离膜 有机铁磁材料 生物高分子材料 化学功能高分子材料等复合功能材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子基复合材料等 2020 4 22 22 根据材料的物质性 材料的应用性 信息材料电子材料电工材料能源材料航空航天材料生物医用材料 2020 4 22 23 材料的功能性 光学功能材料电学功能材料磁学功能材料声学功能材料热学功能材料生物医学功能材料 2020 4 22 24 2020 4 22 25 信息材料 指用于信息的获取 存储 处理 传输和显示的微电子材料和光电子材料 是信息技术基础和先导 信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展 信息材料 信息获取材料 信息处理材料 信息传输材料 信息存储材料 信息显示材料 2020 4 22 26 0 3 3信息处理技术及材料 信息处理工具古代 中国 简单的计算工具 算筹 算盘西方 计算尺是主要的计算工具 机械式计算机 穿孔卡片计算机 继电器计算机 1946年电子计算机的诞生 2020 4 22 27 世界上第一台电子计算机埃尼阿克 ENIAC 1946年诞生于美国的宾夕法尼亚大学 重达30吨 占地170多平方米 全机用了18000多个电子管 5000多个继电器 10000多只电容器 7000多个电阻 功率150千瓦 运算速度每秒钟5000次 目前 以大规模集成电路为基础 以中央处理器 CPU 为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术 它的耗电量超过174千瓦小时 据说在使用时全镇的电灯都会变暗 而且它的电子管平均每隔15分钟就要烧坏一只 2020 4 22 28 集成电路 integratedcircuit 简称IC 是将电路中的有源元件 二极管 晶体管等 无源元件 电阻 电容等 以及他们之间的互联引线等一起制作在半导体衬底上 形成一块独立的不可分的整体电路 集成电路的各个引出端 又称管脚 就是该电路的输入 输出 电源和接地等的接线端 1952年 英国皇家雷达研究所的G W Dummer首次提出集成电路的设想 他认为 随着晶体管和一般半导体工业的发展 电子设备可以在一个固体块上实现 而不需连接线 这种固体块由绝缘体 导体 整流 放大等材料层组成 1958年美国德克萨斯仪器公司J S Kilby和1959年仙童半导体公司的R Noyce分别发明了世界上第一块锗集成电路和硅集成电路 开创了集成电路时代 集成电路 2020 4 22 29 2020 4 22 30 半导体动态随机存储器容量和硅单晶的发展 2020 4 22 31 信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行检波 倍频 混频 限幅 开关 放大等信号处理的器件的一类信息材料 包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料 微电子信息处理即对电子电路中的信息电流 电压等信号进行接收 发射 转换 放大 调制 解调 运算 分析等处理 以获取有用的信息 光电子信息处理包括光的发射 传输 调制 转换和探测等 而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射 传输 调制 转换和探测的一类材料 信息处理材料 2020 4 22 32 0 3 4信息传输技术及材料 移动电话卫星通信无线通信光纤通信 低损耗的熔石英光纤长寿命的半导体激光器掺铒光纤放大器 2020 4 22 33 光纤和光缆的传输速率及损耗特性比较 2020 4 22 34 光纤通信系统发展阶段及其主要进展 2020 4 22 35 损耗特性与光的工作波长有关 在三个工作窗口有相对小的损耗 第一窗口光工作波长0 85 m 损耗稍大第二窗口光工作波长1 31 m 损耗中等第三窗口光工作波长1 55 m 损耗最小 2020 4 22 36 0 3 5信息存储技术及材料 数字信息存储要求 高存储密度 高数据传输率 高存储寿命 高擦写次数 低设备投资和低价格 信息存储的作用 允许保存电子数据 为防止数据丢失而提供备份保护 防止因丢失数据带来的费用 允许现场或非现场文档的存储 2020 4 22 37 存储方式 内存储 外存储 CPU可以直接访问内存 提取时间短 ns 容量一般在512Mb 只读存储器ROM Read OnlyMemory 随机存取存储器RAM RandomAccessMemory 一般不直接与微处理器打交道 外存中的数据应先调入内存 再由微处理器进行处理 磁存储 磁带 软磁盘 硬磁盘光存储 CD VCD DVD等 2020 4 22 38 硬磁盘技术的发展 2020 4 22 39 光盘 硬盘和磁带性能比较 2020 4 22 40 0 3 6信息显示技术及材料 当今世界是信息大爆炸的年代 据测算 上世纪末信息的年均增长率为20 到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人速度 在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中 视觉占60 听觉占20 触觉占15 味觉占3 嗅觉占2 进入21世纪以来 显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐 工业 军事 交通 教育 航空航天 卫星遥感和医疗等各方面 在我国 显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的45 左右 可见 显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业 2020 4 22 41 光电显示分类 2020 4 22 42 传统显示技术 阴极射线管 CRT 显示阴极射线加速后轰击荧光屏上的荧光材料Y2O2S Eu 红色 ZnS Ag 蓝色 和ZnS Cu Al 绿色 发出各种彩色的光 1897年 布劳恩管发明 1953年 日本黑白电视广播开始1958年 中国黑白电视广播开始1960年 日本彩色电视广播开始1973年 中国彩色电视广播开始1996年 日本推出纯平CRT彩电1999年 中国推出纯平CRT彩电 2020 4 22 43 平板显示技术 等离子体显示 PDP 利用等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光 液晶显示 LCD 利用外加电压或者电流 可以改变液晶分子取向 从而改变液晶分子的光学和电学性质 最终实现显示的目的 发光二极管 LED 显示利用载流子在PN结附近的复合作用而发光 有机电致发光显示 OLED 加入外加偏压后 电子空穴分别经过电子传输层与空穴传输层后 进入一具有发光特性的有机物质 在其内部发生强相互作用 形成一个激子 再将能量释放出来回到基态 发出相应的光子 2020 4 22 44 0 3 7信息获取技术及材料 目前 获取信息的技术主要是光电子技术 运用的器件包括探测器和传感器 光子探测器 光电导型 光生伏特型 光磁电型 探测器 热探测器 热释电型 热敏电阻型 气体型 目前 探测器由分立器件向焦平面阵列发展 2020 4 22 45 半导体探测器 光探测器 特别是红外光探测器一般由半导体材料制成 根据探测波长不同 又分为狭能隙半导体材料和宽能隙半导体材料 半导体材料有锗 Ge 和硅 Si 化合物有硫化镉 CdS 硫化铅 PbS 硒化铅 PbSe 锑化铟 InSb 砷化铟 InAs 还有三元化合物铟镓砷 InGaAs 碲锡铅 Pb1 xSnxTe 和碲镉汞 Hg1 xCdxTe 几种半导体材料及其相应波段 2020 4 22 46 传感器 分为半导体传感器和光纤传感器两类 半导体传感器材料在外场 光 热 电 磁等