电子技术发展北京交通大学Word文档下载推荐.docx
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3.3.5纳米加工技术8
3.4目前纳米电子技术研究成果9
3.4.1在电子芯片方面9
3.4.2在医学方面10
4.对2050年纳米电子技术的展望10
4.1纳米机器人10
4.2人工血管11
4.3纳米皮肤11
4.4新型纳米科技产品11
4.5纳米“战衣”12
4.6纳米电子时代12
5.总结与体会13
摘要：
对电子技术的发展过程进行了系统的阐述。
对电子技术学科的发展前景作了展望。
介绍了电子学科的新技术新学科。
纳米技术终将取代微电子技术，并介绍了纳米技术的特点与未来的发展趋势。
关键词：
电子技术；
纳米电子；
纳米电子医学；
发展；
展望
引言
电子技术的出现和使用，使人类进入了高新技术时代。
电子技术的应用十分广泛，它应用在国防、工业、医学、通讯以及人类生活的方方面面。
它对于社会生产力的发展，也起到变革性的推动作用。
电子水准是现代化的一个重要标志，电子工业是实现现代化的重要物质技术基础。
电子工业的发展速度和技术水平，直接影响到工业、农业、科学技术和国防建设，关系着社会主义建设的发展速度和国家的安危；
也直接影响到亿万人民的物质、文化生活，关系着广大群众的切身利益。
1.电子技术的发展过程
电子器件的不断发展与更新，成就了主要的电子技术时代。
如图1所示。
第一阶段为分立元件阶段，它经历了从真空电子管到半导体晶体管的发展过程。
第二阶段为集成元件阶段。
20世纪60年代出现了第一块集成电路。
到20世纪末，人们可以在一小块硅片上集成100万个以上的电子器件，它标志着电子技术的发展开始迈向了微电子技术的时代。
第三阶段为超大规模集成电路，如今，我们正处于第三阶段。
电子器件的发展朝着高性能、高集成度的方向一直前进。
它服从摩尔定律，以一定的发展比例在前行，如图2所示。
图2电子器件增长规律
图1电子器件的发展
1.1分立元件阶段
1.1.1电子管
电子管被封闭在玻璃容器中的阴极电子发射部分、控制栅极、加速栅极、阳极（屏极）引线被焊在管坐上。
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。
电子管的形状如图3所示。
1904年，英国人弗莱明受到“爱迪生效应”的启发，发明了一种叫真空二极管的器件。
二极管的特性是“单向导电性”。
如图4所示。
1907年，美国的福雷斯特发明了三极管。
当时，真空技术尚不成熟，三极管的制造水平也不高。
但在反复改进的过程中，人们懂得了三极管具有放大作用，终于拉开了电子学的帷幕。
1915年，英国的朗德在三极管的控制栅极与阳极之间又加了一个电极，称为帘栅极，其作用是解决三极管中流向阳极的电子流中有一部分会流到控制栅极上去的问题。
这就是四级管的产生。
1927年，德国的约布斯特在阳极与帘栅极之间又加了一个电极，发明了五极管。
新加的电极被称为抑制栅。
加入这个电极的原因是：
在四极管中，电子流撞到阳极上时阳极会产生二次电子发射，抑制栅就是为抑制这种二次电子发射而设置的。
1934年美国的汤绿森通过对电子管进行小型化改进，发明了适用于超短波的橡实管。
图4真空二极管
图3电子管
1.1.2晶体管
由于对半导体材料的发现，使电子管器件向半导体晶体管器件发生了转变。
半导体制成的晶体管具有体积小、重量轻、寿命长、耗电省的优点，这使晶体管取代了真空电子管而得到了广泛的应用。
晶体管是美国贝尔实验室的肖克莱，巴丁，布拉特在1948年发明的，如图5所示。
这种晶体管的结构是使两根金属丝与低掺杂锗半导体表面接触，称为接触型晶体管。
1949年，开发出了结型晶体管，在实用化方面前进了一大步，如图6所示。
1956年开发出了制造P型和N型半导体的扩散法。
它是在高温下将杂质原子渗透到半导体表层的一种方法。
1960年开发出了外延生长法并制成了外延平面型晶体管。
外延生长法是把硅晶体放在氢气和卤化物气体中来制造半导体的一种方法。
图6双极结型场效应管
图5晶体管
由此可见，分立元件越来越小，越来越方便。
1.2集成元件阶段
集成电路的第一个样品是在1958年见诸于世的。
集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了一个新的阶段。
它实现了材料、元件、电路三者之间的统一；
同传统的电子元件的设计与生产方式、电路的结构形式有着本质的不同。
1.2.1集成电路规模的发展
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,如表1所示。
表1集成元件的发展
时期
规模
集成度
50年代末
小规模集成电路
100
60年代
中规模集成电路
1000
70年代
大规模集成电路
>
70年代末
超大规模集成电路
10000
80年代
特大规模集成电路
100000
1.2.2不同时期的集成芯片
1958年，IT公司的科尔比、费尔柴尔德公司的诺伊斯，将平面技术、照相腐蚀技术和布线技术组合起来制成了人类史上的第一片集成电路。
1961年，得克萨斯仪器公司开始批量生产集成电路。
集成电路并不是用一个一个电路元器件连接成的电路，而是把具有某种功能的电路“埋”在半导体晶体里的一个器件。
它易于小型化和减少引线端，所以具有可靠性高的优点。
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。
1.2.3具有代表性的集成电路芯片
具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类：
微控制芯片，如图7所示；
可编程逻辑器件，如图8所示；
数字信号处理器，如图9所示；
大规模存储芯片，如图10所示。
图8可编程逻辑器件
图7微控制芯片
图10大规模存储芯片
图9数字信号处理器
2.电子技术的现状
电子技术的现状就是多种电子技术共存，其中最为主要的，应用最为广泛的应为以下的几种电子技术。
2.1微电子技术
在21世纪，存在着许多电子技术。
其中应用最多的是微电子技术。
集成电路是微电子技术的核心。
微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响，微电子技术是现代高科技的重要支柱。
2.2EDA技术
其次还有EDA技术，也发挥了不可忽视的作用。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。
它在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域发挥了很大作用。
2.3光电子技术
就目前而言，光电子技术也在高速发展。
光电子技术和微电子技术的紧密结合已是常见的事；
光电子技术同生物技术结合，已出现光生物学和生物光电子学。
正兴起的纳米技术已同光电子技术发生密切关系。
因此预期在人类社会的许多根本性问题，如能源、环境保护、灾害预警、粮食生产、医疗卫生等方面将借助光电子技术以及光电子技术同其他高技术相结合得到很大的改善。
3.对纳米电子技术的展望
20世纪末、21世纪初的纳米风暴,其实还只是走向纳米时代的序曲。
尽管纳米技术革命或许还要经历一个需要耗费相当时日的成长发展时期,才能推出以全面成熟的纳米技术为基础的纳米时代；
但对纳米时代远景的展望仍然是那样的激动人心。
3.1纳米电子技术的发展前提
集成电路芯片的发展基本上遵循了摩尔定律，即每隔3年集成度增加4倍,特征尺寸缩小2倍。
微电子产业已沿着摩尔轨道运行30余年。
2l世纪微电子技术仍在快速发展，但是它遇到了严峻的挑战。
随着电子元件尺寸的不断缩小，集成电路的集成度也要求越来越高，在未来若干年如何制造出具有更低功率消耗、更低成本、更小尺寸及更稳定更好性能的半导体芯片就成了摆在我们面前的当务之急。
为了能够制造出更低功率消耗、更低成本、更小尺寸及更稳定更好性能的半导体芯片就将电子器件逼进到纳米器件的领域，于是纳米电子技术应运而生。
它解决了微电子技术的问题：
纳米电子器件不仅仅是微电子器件尺寸的进一步减小，更重要的是它们的工作将依赖于器件的量子特性，所以也称为量子器件。
它主要是通过控制电子波的相位来实现某种功能。
因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，将从根本上解决日益严重的功耗问题。
就人类传统的制造观而言，纳米电子学是微电子学继续向微小世界、更微小世界不断发展的自然延伸；
而从著名物理学家费曼的自下而上的单个原子组装观而言，它又是在全新概念上的用单个原子和单个分子构建量子器件的新领域。
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。
3.2纳米电子技术的特点和特色效应
纳米电子技术是在纳米尺度研究物质的电子运动规律、特性及其应用的科学技术，并利用这些特征生成纳米电子材料、器件和系统。
纳米电子器件以其固有的超高速、超高频、高集成度、高效低功耗、极低阈值电流密度和极高量子效率等特点在信息领域有着极其重要的应用前景，纳米技术将会是未来信息技术的核心和支柱。
可以说，纳米电子技术是微电子技术发展的必然趋势。
纳米电子技术立足于其特有的表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧穿效应、库伦阻塞效应、高温超导效应等特色效应，在纳米尺度甚至分子、原子层次上开发物质潜在的信息和结构功能，实现信息的存储和处理能力的革命性突破，将使信息领域的电子器件面临颠覆性变革，催生大批新型信息器件。
3.3纳米电子技术的研究方向
纳米电子技术主要包括纳米电子学基础理论、纳米电子材料、纳米电子器件和纳米电子系统等主要技术方向，以及纳米加工与制备、纳米电子表征测量等支撑技术。
3.3.1纳米电子学基础理论
纳米电子学基础理论是纳米电子技术发展的理论基础，主要为纳米电子器件的设计、制备、集成、测试和应用提供理论指导。
3.3.2纳米电子材料
纳米电子材料是纳米电子技术研究的物质基础，主要研究零维量子点、一维量子线和二维量子材料。
重点探索纳米管、纳米线、纳米带、纳米薄膜等纳米材料的制备，特别是碳纳米管和石墨烯等碳质新材料的制备。
3.3.3纳米电子器件
纳米电子器件是未来构成纳米集成电路的重要器件，如图11所示。
目前，其主要的研究方向包括单电子晶体管、共振隧穿电子器件、纳米场效应管、纳米MOS器件等等。
3.3.4纳米电子系统
图11用纳米电子技术做的集成芯片
纳米电子系统是纳米电子技术发展的目标，主要基于纳米电子运算以及存储元器件的新特性和新机制，研究并建立纳米运算与存储系统的基本体系结构，在纳米运算和存储元器件制备的基础上，进行纳米电子器件的集成方法研究，设计并实现纳米运算原型系统和纳米存储原型系统，并探索二者的单芯片集成。
它主要包括纳米电子集成电路、纳米电子计算机、纳米电子机械系统等研究方向。
3.3.5纳米加工技术
纳米加工技术是纳米电子器件加工和集成实现的技术路径，主要包括“自上而下”和“自下而上”两条技术途径。
“自上而下”的纳米加工技术是以无机半导体材料为主，利用薄膜生长和纳米光刻技术制备纳米固态电子器件及其集成电路，目前主要包括紫外光刻、电子束光刻、聚焦离子束、电子束双束、纳米压印、反应离子等离子体刻蚀等技术。
“自下而上”加工技术是从原子、分子出发，在一定条件下自组织生长出所需要的纳米材料，并进一步组装成纳米功能器件，最终形成电路系统，目前主要包括分子自组装、纳米粒子自组装和扫描探针加工等技术。
就目前而言，纳米技术的研究和应用已经得到世界上很多国家的认可，各国也加大了对纳米技术研究工作的投入力度。
其中，美国提出了名为NNI，即国家纳米技术的计划项目，将重点研究纳米电子学。
欧盟等多个国家将在支持纳米技术研究的工作上，重点投入到纳米电子材料以及纳米电子器件关于存储系统和信息处理的研究，成立相关委员会，并提出欧盟每年60亿欧元到纳米电子研究工作中的投资报告，以推进和鼓动研究者参与到纳米电子技术研究的兴趣当中。
而在亚洲，中国台湾地区和日韩两国也加入到纳米电子技术研究的计划和策略当中来，也采取了不少积极措施，比如建立纳米电子研究所，加大研究经费的投入等，旨在对纳米电子技术的研究工作中抢占先机，掌握主动。
而我国则将纳米研究技术作为重要的科学研究规划，主要进行纳米电子学的研究，而纳米电子学也被中科院肯定为2020年左右最易实现，也对纳米科技研究有重大影响的研究。
3.4目前纳米电子技术研究成果
3.4.1在电子芯片方面
2010年2月，美国人研发的纳米处理器可实现编程，可能成为纳米计算机。
同年5月，澳大利亚和美国研究者基于隧穿显微镜实现了对单个原子的操控，从而创造出了迄今为止最小的原子晶体管，它标志着世界上第一个人工制造原子的电子设备的出现，向信息处理的超强大和超高速性迈进新的台阶。
同年12月，在美国德克萨斯大学，又推出了世界上第一个耐高温工作的自旋场效应晶体管。
而在2011年的4月，在美国匹兹堡大学，科学家又制造出了超小型的单电子晶体管，它的核心组件的直径Φ小至1.5nm，这一创举也将成为超大规模集成电路的高密度性和低能耗性的理想电子元件。
中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心在22纳米CMOS关键技术先导研发上取得突破性进展，在国内首次采用后高K工艺成功研制出包含先进的高K/金属栅模块的22纳米栅长MOSFETs，器件性能表现良好。
在以后的20年，将是电子元件不断发展的时期，在此期间，新型电子元件的研究将更加深入，更多的电子元件产品将会不断问世，为人类探索更高领域提供更科学研究方法。
3.4.2在医学方面
在医学方面，纳米电子技术体现出了惊人的实力。
自纳米电子技术发展起来后，出现了可以获取细胞膜、细胞器表面结构信息的扫描隧道显微镜，出现了可以获得可以反映各种生化反应的化学信息和电化学信息的纳米传感器，还应运产生了各类高科技医学电子产品，如立体定向全身伽玛刀、PET、MRI、多层螺旋CT、彩色多普勒超声诊断仪等。
在电子学与生物医学交叉作用部分中最前沿、最活跃、作用力最大的一项关键技术则是纳米电子技术。
它主要表现在：
生物医学电子学的一个主要发展方向是实现生物医学电子设备的微型化和集成化，这主要依赖于微电子技术的发展；
按照目前微电子器件微型化趋势，器件尺寸将很快达到原子和分子的水平，这将使得人们能够更精确地研究生物体；
借鉴生物医学的最新成果，能大大地促进微电子技术的发展。
4.对2050年纳米电子技术的展望
4.1纳米机器人
纳米生物电子是一个重要的纳米电子学部分，把纳米电子学的科技应用于生物芯片的领域，从而有了纳米机器人的出现，如图12所示。
这种纳米机器人不是传统的机器人，而是能进入人体血管，帮人体清除体内有害物质的清洁器，更有效地为人体排出毒素，为保证人体的正常代谢，保持人体健康做出重大贡献。
科学家猜测，在未来的25年内，这个设想能够成真。
图12纳米机器人
4.2人工血管
在未来几十年里，电子组织可以让我们把多功能的假体放入人体内。
目前已研发出一种人工血管，可以检测出流过液体的pH值。
与此同时，在2030年左右，通过在人造血管中植入纳米电子传感器和其他组织替代品，这项技术最终一定能够通过无线方式监测和癌症或其他疾病相关的蛋白质。
目前研究者正致力于为细胞植入电子装置，这些装置不仅可以监测细胞的活动，而且能主动对细胞施加影响。
为电子细胞的到来做好准备吧。
4.3纳米皮肤
美国哈佛大学的科学家们日前首次利用人体细胞和纳米级电子元件制造出了“半机器人”皮肤，这一最新技术突破引发了外界关于电影中半人半机器的“终结者”是否会在未来某一天真正诞生的猜测。
4.4新型纳米科技产品
根据纳米电子技术的发展速度，我们完全有理由相信，在2050年，像好莱坞大片中很多主人公使用的各种高科技产品能够实现。
就像具有照相功能，存储功能和识别功能的隐形眼镜，这其中就可以运用纳米电子技术，制成高速高效具有特殊功能的芯片，然后加载在特定材料中，制成这种隐形眼镜。
或者是，微型探测仪，可以把测量温度、距离等等外界因素的高集成芯片放入手表里，利用哪个功能就可以随时调用，既方便又隐蔽。
4.5纳米“战衣”
在未来的几十年，会有用特殊材料制成的衣服，其中加入纳米芯片，使其能够自身产生能量，或者可以避开雷达的追踪。
遇到外界攻击时，能够启动保护模式，增强抗击能力，减小受伤几率。
这些功能使它能够应用在军事上。
4.6纳米电子时代
人类社会的纳米电子时代,将是一个信息量密度极高,载体极为微小的奇异时代:
由纳米级电子器件、纳米级线路组成的纳米级量子集成电路的大规模生产和运用,不仅可使功能完备的黄豆、米粒般大小,使功能较简单的电脑缩小到灰尘般大小;
而且有可能产生出容量、功能与人脑相提并论的超微电脑,有可能产生出可以取代部分人脑细胞的电路芯片,和在人脑中装设扩展人思维能力的芯片作为“体内电脑”。
未来几十年电子元器件技术将迅猛发展，新型电子元器件将不断走向实用。
单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的研究将不断取得突破，促使纳米电子技术向着延续、扩展摩尔定律和超越CMOS的方向发展，大规模纳米集成电路将初步实现，对数据存储和计算机发展等产生重大影响。
纳米电子技术的迅猛发展对人类来说绝对是一大利好消息，随着国际的重视，各国对纳米电子技术的资金投入以及科学研究者们的不断研发，纳米电子技术真正应用到人们的日常生活将指日可待。
届时，高效、环保、科学的生物材料，医学设备和电子晶体管的问世，将会大大改善人们的生活现状，让人们切切实实地体验纳米电子技术时代。
总之，纳米科学技术是跨世纪的新学科，必将发展成为二十一世纪最重要的高技术。
它已成为国际科学界和工程技术界关注的热点。
美国IBM首席科学家Amotrong说:
“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。
”人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现的奇异现象和新进展。
纳米科学技术前景诱人，预计将对经济建设、‘国防实力、学科发展以至社会进步产生巨大的影响。
5.总结与体会
阅读了很多文献，了解了很多的电子技术。
明白到事物间都是有联系的，它们都是相辅相成的，谁都离不开谁。
就像没有不完美的电子技术，就不会有进步，不会出现更多的技术。
前一个技术是后一个技术的发展前提。
哲学上说，世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的。
事物都在矛盾中不断运动，推动着宇宙迈着沉稳的步伐前行。
最先出现分立元件，然后发展为集成元件，这就体现了由简入繁的观点。
元器件集成个数不断增加，是遵循摩尔定律的，这也体现了事物发展是有规律的思想。
当我们发现电子管、晶体管、小规模集成电路不能满足需求时，出现超大规模集成电路来实现功能，这就体现了事物在不断运动发展。
整个电子器件和电子技术都时刻体现出发展的观点。
由简单到复杂，由低速到高效，由功耗大到低功耗。
认识把握客体的尺度从大到小,相应于人类认识变革自然能力的从小到大。
由此可以看出,纳米电子技术时代出现的某种历史必然性。
检验人的认识的标准是实践,只有实践才能建立起由此达彼的桥梁,才能把主观和客观对照起来,实践是检验人的认识的最高标准。
也就是说，研究制造出电子器件并用于日常生活，才能发现这个东西到底有没有存在的价值与意义。
对于纳米技术来说，纳米技术对事物的认识过程与以往所有的科学技术完全不同。
以往的科学技术研究，总是针对事先已经客观存在的客体而言，然后通过科学家们的主观努力，形成科学认识，进而通过技术手段改造客体，使其满足人类的需求。
而纳米技术则不然，纳米技术是从主观意愿出发，我们需要的具有特殊性质的客体并不事先存在，科学认识先于客体的存在，客体的各种性质与规律性完全由人类自己设计，人类的主观能动性得到了更大的提高。
人类在科学认识过程中处于被动地位，人类为了自身的生存必须去认识自然、了解周围的世界。
而在技术改造过程中，人类处于主动地位，人类为了更好的生存而改造自然，使自然更好的适应人类生存的需求。
纳米技术的出现，实现了科学与技术的完整统一。
是科学与技术共同发展到一定阶段的必然结果。
这是人类的生存的客观需要与主观需求的统一的必然要求，也为人类社会从必然王国走向自由王国指引了方向。
虽然，目前使用最多的技术还是微电子技术，但是经过科学的不断进步，人类思维的不断提高，纳米电子技术终将会取代微电子技术，成为以后电子技术的主流。
因为他们具有更好的性能，更能满足日益发展的社会需求。
这次研究性课题，我以纳米电子技术为主线，把过去、现在和未来连接在一起。
收获到的是对电子技术的了解。
对于2050年展望这部分来说，我学会了怎么应用现有知识，开动思维去想象和预测未来的变化。
身为学生，最重要的是学会怎么思考，学会怎么应用。
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