1900电子技术的发展与.docx
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1900电子技术的发展与
1900-2050年电子技术的发展与展望
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目录
第一章概述1
第二章1900至现在电子技术的发展简史1
2.1电子管阶段1
2.2晶体管阶段4
2.3集成电路5
2.3.1小规模集成电路6
2.3.2超大规模规模集成电路6
2.5二十世纪电子技术发展7
第三章几种电子技术介绍8
3.1EDA技术8
3.2纳米电子技术9
3.3嵌入式技术9
3.4生物分子技术10
第四章电子技术的发展10
4.1保持电子技术持续快速发展的方法11
4.1.1提高制造工艺11
4.1.2采用新的材料11
4.1.3创造新的发展方向11
第五章对2050年电子技术的展望--生物分子电子技术12
第六章研究性课题感想13
参考文献13
摘要：
本文介绍从1900年到现在的电子技术发展情况，并且结合现今的发展趋势对未来电子技术的发展方向分析。
从生物科技与电子科技的结合这一方面结合专业及国际发展趋势与对未来要求，进行展望设想。
关键词：
电子技术，发展，生物电子科技，展望。
一、概述
电子技术是根据电子学的原理，运用电子元件去设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
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。
电子技术研究的是电子器件及其电子器件构成的电路的应用。
半导体器件是构成各种分立、集成电子电路最基本的元器件。
随着电子技术的飞速发展，各种新型半导体器件层出不穷。
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。
电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
二、1900至现在电子技术的发展简史
国际上统一认为电子技术发展至今，可以分为四个阶段：
电子管阶段，晶体管阶段，集成电路，超大规模集成电路。
电子元器件发展史其实就是一部浓缩的电子发展史。
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。
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。
由于，电子计算机发展经历的四个阶段恰好能够充分说明电子技术发展的四个阶段的特性，所以下面就从电子计算机发展的四个时代来说明电子技术发展的四个阶段的特点。
2.1电子管阶段
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。
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（香港人称使用电子管功率放大器为“煲胆”）。
1883年，发明大王托马斯·爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，曾做过一个小小的实验。
他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。
但是他失败了，他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却因接收到碳丝发射的热电子产生了微弱的电流。
当时爱迪生正潜心研究城市电力系统，没重视这个现象。
这个现象被称为"爱迪生效应"
1904年，世界上第一只电子二级管在英国物理学家弗莱明的手下诞生了，这使爱迪生效应具有了实用价值。
弗莱明也为此获得了这项发明的专利权。
1907年，美国发明家德福雷斯特（DeForestLee），在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管．
1947年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件．
电子管技术起源于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（LeedeForest）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。
二极管
把金属板（阴极），加热源（灯丝），正向电压极板（阳极）封装在一个适当的壳里，即上面说的玻璃（或金属，陶瓷）封装壳，再抽成几近真空，就是电子二极管。
需要说明的是由于制造工艺，杂质附着以及材料本身等原因，管内会残留微量余气，成品管都在管内涂敷了一层吸气剂。
吸气剂一般使用掺氮的蒸散型锆铝或锆钒材料。
目前除特殊用途外（如超高频和高压整流等），为便于使用和增加一至性，均为两只二极管，或二极三极，或三极三极以及二极五极等合装在一个管壳内，这就是复合管。
三极管
二极管的结构决定了它的单向导电的性质，当在阴极与阳极之间再加上一个带适当电压的极点，这个电压就会改变阴极的表面电位，从而影响了阴极热电子飞向阳极的数量，这就是调制极，一般是用金属丝做成螺旋状的栅网，所以又把它称为栅极。
这就是阀门功能了。
由此可以知道，当作为被放大的信号电压加在栅极----阴极之间时，由于它的变化必然会使阳极电流发生相应的变化，又由于阳极电压远高于阴极，因此栅阴极间微小的电压变化同样能使阳极产生相应的几十至上百倍的电压变化，这就是三极管放大电压信号的原理。
四极管
纯粹意义的四极管只是在电子管的发展史上作为验证管出现过而没有进入实用，在商品功放里超过半数以上的机种用的是束射四极管。
束射四极管全部是功率管，对功率管的要求是产生尽可能大的阳极电流。
束射四极管在电极的结构上做了一些特殊的安排，使其在保持和其它功率管体积差别不大的前提下，能够形成比其它功率管更大的阳极电流。
束射四极管的几个结构特点：
1.阴极为椭圆型，这就增加了阴极的有效发射面积，从而增加了热电子的发射量。
2.和三极管一样，在抑制栅极和阳极之间加有帘栅极，作用前面说过了。
3.在帘栅极和和阳极之间加了一对弓型金属板（说到重点了，注意下面的表述），这就是集束屏。
集束屏在管内和阴极相连即与阴极等电位，它迫使已经越过帘栅极的电子流只能沿弓型金属板的开口方向成束状射向阳极。
2.2晶体管阶段
晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。
晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。
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。
晶体管的发明，最早可以追溯到1929年，当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。
但是，限于当时的技术水平，制造这种器件的材料达不到足够的纯度，而使这种晶体管无法制造出来。
由于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就设法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。
在这种检波器里，有一根与矿石（半导体）表面相接触的金属丝（像头发一样细且能形成检波接点），它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。
在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。
在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，这就为晶体管的发明奠定了基础。
为了克服电子管的局限性，第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。
肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。
1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人。
布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作，长期从事半导体的研究，积累了丰富的经验。
他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。
布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。
微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。
布拉顿等人，还想出有效的办法，来实现这种放大效应。
他们在发射极和基极之间输入一个弱信号，在集电极和基极之间的输出端，就放大为一个强信号了。
在现代电子产品中，上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。
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。
2.3集成电路
集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件。
采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。
它在电路中用字母“IC”表示。
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（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。
图7集成电路
由于超大规模集成电路已经发展的很成熟，所以集成电路基本上已经淘汰，只有在实验时或者小规模系统时用上。
但它是一个很重要的过渡，由单个元件转换为大量集成吗，这本来就是一个质的飞跃。
2.4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。
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CPU8088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NorthwoodPenfium4处理器已集成5200万个晶体管。
如今，193nmDUV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。
图8超大规模集成电路
2.5二十世纪电子技术发展
电子技术发展日新月异，几乎每一年都有非常重要的发明和发现，经过搜索资料特地概括出对电子技术影响巨大的事件。
表1二十世纪电子技术发展的里程碑
年份
技术进展
领先企业和代表
1904
电子二极管
弗莱明
1906
电子三极管
德福雷斯特
1946
第一台计算机诞生
莫奇来、爱克特
1947
世界上第一个点接触晶体管
贝尔实验室
1949
提出PN结和双极晶体管理论
贝尔实验室
1952
结型场效应晶体管
贝尔实验室
1952
提出集成电路的设想
英.皇家研究所
1954
第一只硅晶体管
TI
1955
全晶体管计算机
贝尔实验室
1958
世界上第一块集成电路
TI
1958
仙童公司用平面工艺研制出第一块实用化的集成电路
FairChild
1958
MOSFET研制成功
贝尔实验室
1962
TTL逻辑集成电路
Sylvania
1962
P-MOS集成电路
通用微电子
1963
N-MOS集成电路
FairChild
1963
MESFET
Mead
1968
CMOS集成电路
RCA
1969
硅栅MOS工艺
Intel
1971
第一块微处理器（Intel4004）
Intel
1972
Intel8008微处理器
Intel
1978
16位微处理器Intel8086
Intel
1981
32位单片微处理器
Zilog
1982
第一块256kDRAM
贝尔实验室
1985
1MDRAM
IBM/AT&T
1986
BiCMOS技术
日立
1987
16MDRAM
日立/TI
1989
Intel80486
Intel
1991
64MDRAM
National
1992
256MDRAM
IBM
1993
IntelPentium微处理器
Intel
1994
1GBDRAM
NEC/Ibm
1997
IntelPentiumII
Intel
三、几种电子技术介绍
随着电子技术的不断发展，科学家也从以前的技术里找出不足，并克服这些不足，然后经过不懈努力，发展出了很多新型的电子技术，下面就简要介绍一些用途很大的技术。
3.1EDA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、电子电路设计和PCB设计。
EDA技术发展的三个阶段：
（1）：
计算机辅助设计（CAD）阶段（70年代）：
用计算机辅助进行IC版图编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。
（2）：
计算机辅助工程（CAE）阶段（80年代）：
与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。
CAE的主要功能是：
原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。
（3）：
电子系统设计自动化（ESDA）阶段（90年代以后）：
设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标。
从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等，EDA技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在P哪的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、朋比的制作过程等有重要作用。
可以说电子EDA技术已经成为电子工业领域不可缺少的技术支持。
EDA技术在进入21世纪后，由于更大规模的FPGA和凹m器件的不断推出，在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断更新、增加，使电子EDA技术得到了更大的发展。
电子技术全方位纳入EDA领域，EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容，突出表现在以下几个方面：
使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能；基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP核模块；软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认；SoC高效低成本设计技术的成熟。
随着半导体技术、集成技术和计算机技术的迅猛发展，电子系统的设计方法和设计手段都发生了很大的变化。
可以说电子EDA技术是电子设计领域的一场革命。
图9：
EDA实验室
3.2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。
纳米电子学是讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科，它代表了微电子学的发展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。
以纳米技术制造的纳米电子器件，因工作速度快、功耗低、信息存储量大等性能优点而得到较快发展。
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。
图10：
纳米电子技术
3.3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。
手机领域：
以手机为代表的移动设备可谓是近年来发展最为迅猛的嵌入式行业。
甚至针对于手机软件开发，还曾经衍生出“泛嵌入式开发”这样的新词汇。
一方面，手机得到了大规模普及，另一方面，手机的功能得到了飞速发展，3、4年前的手机功能与价格与现在就不能同日而语。
随着国内3G时代的脚步日益临近，可以预料到手机领域的软硬件都必将面临一场更大的变革。
功耗、功能、带宽、价格等都是手机硬件领域的热门词汇。
从软件技术角度来看，我认为手机的软件操作系统平台会趋于标准化和统一化。
手机的应用会愈加丰富，除了最基本的通话功能外，逐渐会包括目前PDA、数码相机、游戏机等功能，更加趋向于成为个人手持终端。
3.4生物分子电子技术
早在20世纪70年代初，科学家们研究发现，生存于死海盐湖以及濒临干涸的热带泻湖中的被称为细菌视紫红质，简称BR蛋白质的一种吸光蛋白质对光非常敏感O当光照射时BR蛋白质分子结构将发生周期性变化其中的两种稳定结构状态起导通和关闭的开关作用可用来表示信息"'或"1'状态O利用这一特性可制作生物分子开关。
此外，科学家们还发现其它许多蛋白质分子也具有开关特性O一个蛋白质分子就是一个开关。
从而提出分子电子器件的概念。
美国华盛顿海军研究所最早进行把有机化合物用于分子电子器件的研究。
1978年第一个有机晶体管研制成功20世纪80年代初在国际上提出的"生物芯片'这一名词把微电子集成电路技术与生物性分子功能相结合提出构建具有生物活性的微功能元件，进行信息的获取、储存、处理和传输，达到仿生信息处理的目的在这基础上诞生了“分子电子学”。
在此期间，生物分子器件的研究也取得了较大进展。
1983年制成了第一个分子检波器;1985年利用细胞色素C制成了有开关功能和记忆功能的生物分子元件。
进入到20世纪90年代人们对蛋白质的结构光学和光电性能已经有了较深入的认识。
利用蛋白质开关元件可以制成各种逻辑部件存贮元件和分子超大规模集成电路的芯片。
近几年来美、英、日等国极其重视分子电子技术的发展，掀起了研究和开发生物芯片和生物电脑热潮，并取得重大的突破:
在2000年9月美国威斯康星_麦迪逊的科学家开发出一种用于制造DNA计算机的新技术，能将DNA分子的活性范围限制在固体表面来进行运算;美国普林斯顿大学的科学家研制出一种简单的DNA计算机，用其计算数学问题的答案。
正确率令人满意;日本东京大学的科学家也在DNA计算机方面取得重要的进展;由美国贝尔实验室和牛津大学科学家组成的研究小组研究制出一台DNA
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