电子技术发展报告

研究性教学题目:从1990年到2050年电子技术的发展一、研究目的:

掌握从1900年至今的电子技术发展脉络，了解当下最新的电子技术的发展情况，并从中分析电子技术的发展趋势，推测未来四十年电子技术的发展方向。

二、研究主线:

从因特网、数据库、以及图书馆，查找电子技术的发展史和现代电子技术最新成果，并加以理解、归纳，总结出电子技术的发展趋势，并从已有的电子技术中找出当下发展过程中遇到的难题。最后以电子技术的发展趋势和所遇难题为出发点，大胆推测未来四十年电子技术的发展方向.

三、正文:

可以毫不夸张的说，人们现在生活在电子世界中。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。

1、电子技术的发展简史（20世纪）

电子技术是研究电子器件与电子电路应用的一门学科。电子技术发展至今，大致可以分为四个阶段。

1.1 第一代电子技术（电子管时代）：

起源于20世纪初，20世纪三十年代达到了鼎盛时期。第一代电子技术的核心是电子管。1904年，弗莱明制成了第一只电子二极管用于检测电波, 标志着电子时代的到来。过了不久，美国的德福雷斯特(Lee de Forest)在灯丝和极板之间加人了栅极，从而发明了三极管（如图1.1.1），并于1906年申请了专利。比起二极管，三极管有更高的敏感度，而且集检波、放大和振荡三种功能于一体。1925年，苏格兰的贝尔德公开展示了他制造的电视，成功地传送了人的面部活动，分辨率为30线，重复频率为每秒5帧。从此，电视开始了它神奇的发展历程。电子管不仅广泛应用于家庭娱乐领域，如广播、收音机、电视机，也广泛应用于电话等通讯领域，甚至在飞机、雷达、火箭等高新领域都广泛的使用了。

1.2 第二代电子技术（晶体管时代）：

然而，电子管体积大、笨重、能耗大、寿命短的缺点，使得人们迫切需要一种新的电子元件来替代电子管。飞速发展的半导体物理为新时代的到来铺平了道路。二十世纪二十年代，理论物理学家们建立了量子物理，1928年普朗克应用量子力学，提出了能带理论的基本思想，1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型，1939年肖特基、莫特和达维多夫，建立了扩散理论。这些理论上的突破，为半导体的问世提供了理论基础。

1947年l2月23日，贝尔实验室的巴丁和布拉顿制成了世界上第一个晶体管——点接触三极管，这是世界上第一只晶体三极管，它标志着电子技术从电子管时代进入到晶体管时代迈开第一步。此后不久，贝尔实验室的肖克利又于1948年11月提出一种更好的结型晶体管的设想。到了1954年，实用的晶体管开发成功，并由贝尔实验室率先应用在电子开关系统中。与以前的电子管相比，晶体管体积小、能耗低、寿命长、更可靠，因此，随着半导体

技术的进步，晶体管在众多领域逐步取代了电子管。更重要的是，体积微小的晶体管使集成电路的出现有了可能。

图1.1.1 电子管图1.3.1 第一块集成电路

1.3 第三代电子技术（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（如图1.3.1），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。同年，美国著名的仙童电子公司也宣布研究成功集成电路，该公司赫尔尼等人发明的一整套制造微型晶体管的“平面工艺”被移用到集成电路的制作中，集成电路很快就由实验室试验阶段转入了工业生产阶段。1959年，德州仪器公司建成世界上第一条集成电路生产线。1962年，世界上第一块集成电路正式商品问世。与分立元件的电路相比，集成电路体积重量都大大减小，同时，功耗小，更可靠，更适合大批量生产。集成电路发明后，其发展非常迅速，其制作工艺不断进步，规模不断扩大。

1.4 第四代电子技术（超大规模集成电路）

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（见图1.4.1）。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。

图1.4.1 集成电路发展曲线

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10µm，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2µm；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1µm，达到0．8µm。而现在，Intel公司更是将其生产工艺提升到0．13µm，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0.090µm 特征尺寸。

至20世纪末，电子技术已经有了近100年的历史，电子技术正向着高集成、大规模、高速度、低功耗以及小体积的方向发展。下表为20世纪电子技术发展的主要里程碑。

表3-1 20世纪电子技术发展的主要里程碑

2、电子技术发展现状

近十年来，电子技术依旧高速发展，并且向着更加多元化的方向前进。现代电子技术包括微电子技术、光电子技术、纳米电子技术、EDA技术、机电一体化技术、嵌入式技术、现代电力电子技术、虚拟仪器技术等分支。下面对于以上部分技术做一些简单的介绍。

2.1 微电子技术

微电子学是研究在固体(主要是半导体)材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支，是一门主要研究电子或离子在固体材料中的运动及应用，并利用它实现信号处理功能的科学。

微电子技术在近半个世纪以来得到迅猛发展，是现代电子工业的心脏和高科技的原动力。微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的微机电系统（MEMS）技术、与生物工程技术结合的DNA生物芯片成为新的研究热点。目前，微电子技术已经成为衡量一个国家科学技术和综合国力的重要标志。微电子技术的发展方向是高集成、高速度、低功耗和智能化。2.2 光电子技术

光电子技术是由光子技术和电子技术结合而成的新技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。光电子技术主要包括以下器件及技术：激光器及其应用、红外探测器及其应用、CCD 成像器件及其应用、光纤光缆、光无源器件及其应用等。目前，信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理等环节已由光子和电子共同参与来完成，即由电子技术与光子技术相配合的光电子技术将在信息领域起主要作用。可见，光电子技术已经融入了信息流的各个环节中，渗透到我们信息社会的每个角落。

2.3 纳米电子技术

纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线。纳米点和纳米点阵构成的基于量子特性的纳米电子器件的电子学功能、特性以及加工组装技术。其性能涉及放大、振荡、脉冲技术、运算处理和读写等基本问题。其新原理主要基于电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落特性等。

从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。

2.4 EDA技术

电子设计技术的核心就是EDA技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即IC设计、电子电路设计、PCB设计和PLD设计。其中IC设计软件供应商主要有Cadence，Mentor Graphics、Synopsys等公司。电子电路设计与仿真软件主要包括SPICE/PSPICE、Multisim、和System View等。PCB设计软件种类很多，如Protel、OrCAD、Viewlogic、PCB Studio等。而PLD设计软件主要包括Altera、Xilinx、Atmel等。EDA技术应用广泛、工具多样、软件功能强大，开发的产品向超高速、高密度、低功耗、低电压和复杂的片上系统器件方向发展。

2.5 嵌入式技术

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，一类是采用通用计算机的CPU处理器，另一类是采用微控制器，微控制器具有单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点，成为嵌入式系统的主流器件。嵌入式处理器已经从单一的微处理器嵌入、发展到DSP和目前主要采用的32位嵌入式CPU，未来发展方向为片上系统。

由电子技术衍生出的技术还有很多，在此不再赘述。

3、电子技术发展展望