电子技术的发展历史与现状

物理与电子技术系杨果仁2013年9月24日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，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会，高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息采集、处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在。收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。电子科学与技术的知识领域一电子材料与元器件的发展二微电子技术的发展三光电子技术的发展四EDA技术及未来电子科技五电子科学与技术专业由来物理电子技术光电子技术微电子技术电磁场与微波电子材料与元器件电子科学与技术电子材料与元器件是电子、信息、机械、航天、国防、自动化等各领域的基石。电子产品中材料与器件的研究是其核心竞争力的源泉。按电子器件的材料属性分：半导体材料与器件，陶瓷材料与器件，磁性材料与器件。按电子器件的发展阶段分：分离元器件（真空电子管、半导体晶体管），集成电路元器件（SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI）。基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能、低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。真空电子管时代（1905～1948）为现代技术采取了决定性步骤主要大事记1905年爱因斯坦阐述相对论——E＝mc21906年亚历山德森研制成高频交流发电机德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管1912年阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管1917年坎贝尔研制成滤波器1922年弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机1934年劳伦斯研制成回旋加速器1940年帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机1947年肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础晶体管时代（1948～1959）宇宙空间的探索即将开始1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管1948年贝尔实验室的香农发表信息论的论文英国采用EDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机1949年诺伊曼提出自动传输机的概念1950年麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器1952年美国爆炸第一颗氢弹1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年苏联发射第一颗人造地球卫星1958年美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路主要大事记时期规模集成度（元件数）50年代末小规模集成电路（SSI）10060年代中规模集成电路（MSI）100070年代大规模集成电路（LSI）100070年代末超大规模集成电路（VLSI）1000080年代特大规模集成电路（ULSI）100000自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。1985年，1兆位ULSI的集成度达到200万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。集成电路时代（1950～）现代数字系统的基石可编程逻辑器件（PLD）数字信号处理器（DSP）大规模存储芯片（RAM/ROM）集成电路时代（1950～）现代数字系统的基石集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。微控制芯片（MCU）1.新型元器件将向微型化、片式化、高性能化、集成化、智能化、环保节能方向发展；2.行业技术进步的重点：微小型和片式化技术、无源集成技术、抗电磁干扰技术、低温共烧陶瓷技术、绿色化生产技术等；3.电子材料正朝高性能化、绿色化和复合化方向发展；4.新型显示器件的发展趋势是平板化、薄型化、大屏幕高清晰度和环保节能：①TFT-LCD和PDP成为主流平板显示器件②新一代平板显示器件和投影器件也将快速发展③CRT产品将向高清晰、短管颈方向发展5.电子技术与冶金、有色、化工等其他行业技术的融合将不断加深，高精度、高可靠性设备仪器和新工艺技术将成为电子材料技术发展的重要因素，绿色无害材料和工艺将得到广泛应用。电子材料和元器件技术将发生深刻变化：1.电子元器件产业(不含集成电路和显示器件)2.新型显示器件3.电子材料①半导体材料②新型显示器件材料③光电子材料④电子功能陶瓷材料⑤绿色电池材料⑥磁性材料、覆铜板材料、电子封装材料16个重大专项中相关的有核心电子器件高端通用芯片及基础软件极大规模集成电路制造技术及成套工艺11个重点领域及优先主题中相关的有新一代信息功能材料与器件高清晰度大屏幕平板显示8个前沿技术中相关的有激光技术国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020）中涉及的重要经济技术领域：1.电子元器件产业片式元器件印刷电路板混合集成电路传感器及敏感元器件绿色电池新型半导体分立器件新型机电组件光通信器件高亮度发光二极管2.新型显示器件TFT-LCD显示器件PDP显示器件OLED等新一代显示器件及模块CRT显示器件(高清/短管颈)3.电子材料—半导体材料大力发展半导体级和太阳能级多晶硅材料实现8~12英寸硅单晶及外延片的产业化积极发展6”SiGe，6、8”SO2，4~6”GaAs和InP等化合物半导体材料重点支持248nm及以下光刻胶、引线框架、金丝、超净高纯试剂，以及8”及以上溅射靶材等配套产品在TFT-LCD液晶显示器件材料方面，积极发展TFT-LCD液晶材料、大尺寸基板玻璃、彩色滤光片、偏光板和背光模组等关键材料生产技术PDP关键材料方面，重点发展荧光粉、电极材料、介质材料、障壁材料等OLED关键材料方面，主要发展有机发光材料、隔离柱材料、lTO基板玻璃3.电子材料—新型显示器件半导体材料以高亮度发光材料为突破口，着重发展GaN、SiC等晶体及外延材料等，国内市场占有率达50％以上保持我国在激光晶体材料方面的生产和技术优势，进一步加大研发力度，重点发展高功率激光晶体材料、LD泵浦激光晶体材料、可调谐激光晶体材料、新波长激光晶体材料、高效低阈值晶体材料3.电子材料—光电子材料重点研发和生产高性能高可靠片式电容器陶瓷材料、低温共烧陶瓷(LTCC)材料及封装陶瓷材料、贱金属电子浆料(Ni、Cu)顺应绿色化潮流，积极开展无铅、无镉等瓷料研究和生产，并开展纳米基瓷料研究和生产3.电子材料—电子功能陶瓷材料以电池产业规模优势带动材料发展，替代进口，重点发展锂离子电池高性能、低成本正负极材料，绿色电池高性能隔膜材料。3.电子材料—绿色电池材料保持规模优势，加大研发力度，提高产品附加值，重点发展粘结NdFeB永磁材料、纳米复合永磁材料、低温共烧材料和纳米软磁材料、巨磁致伸缩材料、磁致冷材料、电磁屏蔽材料、磁记录材料、高档永磁软磁铁氧体材料等市场前景好的材料。3.电子材料—磁性材料重点发展环保型的高性能覆铜板、特殊功能覆铜板、高性能挠性覆铜板和基板材料等。3.电子材料—覆铜板材料重点发展先进封装模塑料(EMC)、先进的封装复合材料、高精度引线框架材料、高性能聚合物封装材料、压电石英晶体封装材料、高密度多层基板材料、精密陶瓷封装材料、无铅焊料、以及系统封装(SIP)用先进封装材料等材料3.电子材料—电子封装材料Honeywell电子材料部总经理RebeccaLiebert：电子材料广泛用于整个半导体行业，而且涉及整个设计和制造流程，在整个半导体产业链的最前端，是技术的增强者半导体的发展需要靠设备与材料共同发展来推动。更重要的是，材料已经开始决定成本优势，材料技术成本决定后期芯片厂的生产优势材料的精度逐渐加强，降低技术融合的成本以提高竞争力是材料企业发展的重点材料是技术的增强者1.3微电子技术简介（一）微电子技术与集成电路（二）集成电路的制造（三）集成电路的发展趋势（四）IC卡晶体管(1948)中/小规模集成电路(1950年代)大规模/超大规模集成电路(1970年代)电子管(1904)1.什么是微电子技术？微电子技术是实现电子电路和电子系统超小型化及微型化的技术，它是以集成电路为核心的电子技术。微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础。微电子技术的核心是集成电路技术集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统。集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高超大规模集成电路小规模集成电路2.什么是集成电路？IC是所有电子产品的核心中文名称英文简称英文全称集成度集成对象小规模集成电路SSISmallscaleIntegration100个电子元件简单的门电路或单级放大器中规模MSIMiddle100-3000个大规模LSILarge3000-10万个功能部件和子系统超(极)大规模VLSI(ULSI)Varylarge(Ultra）10万-100万个(100万）3.集成电路的分类按集成度分：按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路······集成电路芯片是微电子技术的结晶，它们是计算机和通信设备的核心。先进的微电子技术→→高集成度芯片→→高性能的计算机→→利用计算机进行集成电路的设计、生产过程控制及自动测试，又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片。集成电路是现代信息产业和信息社会的基础集成电路是改造和提升传统产业的核心技术：2000年世界半导体产值达2000亿美元，电子信息产品市场总额超过1万亿美元。据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长率将达15%以上，2010年全世界半导体的年销售额可达到6000~8000亿美元，将支持4~5万亿美元的电子装备市场。总结集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试集成电路的制造材料：主要是硅，也可以是化合物半导体如砷化镓。400多道工序几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？IC卡(chipcard、smartcard)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）1.什么昌IC卡？存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，