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1900-2050年电子技术的发展与展望
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日期2011年11月26日
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：
介绍了1900年至今的电子技术发展脉络和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，结合专业及国际发展趋势与对未来要求，对未来电子技术的发展方向进行了预测，而且认为生物分子电子技术会迅速崛起并以某一方面的发展设想了2050年时的电子技术发展状况。
关键词：
电子技术，电子管，晶体管，集成电路，超大规模集成电路，发展，应用，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。
（维基百科）
自从科学家发明了电子二极管之后，人类就进入了电子技术的飞速发展时代。
以我们这个年龄段来说，20年来，遥想小时候大家用的还是超级大号的电子管收音机，如今各个小型的电子设备都能把收音机功能当成一个附属功能。
从黑白电视机到现在的高清数码彩电，从光学相机发展到现在的数码相机，从主频小的惊人的cpu发展到现在多核小型笔记本，等等，电子技术的发展很大的改变了我们的日常生活和世界面貌。
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。
研究电子技术的发展不仅可以了解到各种电子技术，对现在的电子技术起到促进作用，还能根据电子技术的发展来瞻仰未来电子技术发展的前景。
二、1900至现在电子技术的发展简史
电子技术的基础是电子元件，电子元件的发展往往决定了电子技术的发展，纵观近代电子发展史跟电子元件发展史息息相关。
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
2.1电子管阶段
下面我们先来读一段科学界的故事：
托马斯·爱迪生，是一个多产的美国发明家，他发明了白炽灯。
更确切的说，爱迪生完善了白炽灯。
1872年英国科学家汉弗莱·戴维首次证明使用电流加热超薄金属（称为灯丝）到它的白热点，77年后爱迪生设计成功。
爱迪生通过放置将碳化的缝衣针放置在透明的玻璃泡内，空气已经强行抽出。
在此真空条件下，金属丝可被加热到白热温度而不会因燃烧而损耗。
在他试验的过程当中（约1883年），爱迪生在一个真空的玻璃泡内同时放置了金属条和金属细丝，在金属条和金属细丝中间他连接了一个敏感的电表。
他发现只要金属细丝是热的，就有电子从仪表中通过，当细丝冷却时电流停止通过。
:
图1最原始的二极管
爱迪生的白炽灯中的白热丝释放出自由电子到真空灯泡内，这些电子通过检流计会被吸引到金属板，然后又重新回到灯丝上。
这引起了他的极大好奇。
爱迪生于是将一个电压较高的电池连接在检波计电路上来增强弱小的电流。
可以肯定的是这个电池在灯丝和金属板之间产生了很大的电流。
但当把电池的正负极转换电流很小甚至没有。
图2二极管的单向导通性
实际上，爱迪生无意间发现的是一个双极管。
不幸的是在他看来这个装置没有实用价值还需要继续对灯泡进一步的修改。
此装置电子的单向流动（即爱迪生效应）一直吸引了人们的极大好奇。
1904年弗莱明在真空中加热的电丝（灯丝）前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。
他把这种装有两个极的电子管称为二极管。
利用新发明的电子管，可以给电流整流，使电话受话器或其它记录装置工作起来。
如今，打开一架普通的电子管收音机，我们很容易看到灯丝烧得红红的电子管。
它是电子设备工作的心脏，是电子工业发展的起点。
弗莱明的二极管是一项崭新的发明。
它在实验室中工作得非常好．可是，不知为什么，它在实际用于检波器上却很不成功，还不如同时发明的矿石检波器可靠。
因此，对当时无线电的发展没有产生什么冲击．弗莱明将它的装置售为“电子管”，开辟了电路研究的全新领域。
真空二极管-弗莱明的“真空管”也不例外，并不能处理大的电流，所以弗莱明的发明对于交流电压的应用意义不大，只对弱的电信号有实际意义。
在弗莱明为改进无线电检波器而发时二极管的同时，美国物理学博士弗雷斯特也在潜心研究检波器。
他想到弗莱明的二级管可用于整流和检波，但还不能放大信号。
于是，德弗斯特又经过两年的研制，终于改进了弗莱明的二级管，作出了新的发明。
1906年，当他将金属屏幕放置在白炽的金属细丝和金属片之间时，从金属丝到到金属板的电流可以通过金属屏幕和灯丝之间的小电压而稳定。
这个金属屏幕就是所谓的栅板，棚极上的电压的微弱信号变化，可以调制从阴极流向阳极的电流，因此可以得到与输入信号变化相同，但强度大大增加的电流。
这就是德弗雷斯特发明的三级管的“放大”作用。
这一小小的改动，竟带来了意想不到的结果。
它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且，集检波、放大和振荡三种功能于一体．因此，许多人都将三极管的发明看作电子工业真正的诞生起点。
图4三极管
图3三极管
这就是对我们世界产生重大影响的二极管和三极管的产生故事。
只要肯坚持，真理的脚步就会越走越前。
俗话说万事开头难，所以我认为研究电子技术的发展还是在研究它的起步阶段最有收获。
初期最重要的发明就算是二极管和三极管了。
但是很多人不知道二极管和三极管的产生历史。
事实上这是一个开拓性的发现，以前都是研究双向导通的电路，自二极管发明后，单向导通就成了电子技术里的重中之重。
为了祭奠那个伟大的时刻，笔者查阅了很多资料，整理出来了二极管和三极管刚开始的发展历程。
虽说不涉及科技内容，但是我们也能在其中收获很多灵感。
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。
2.2晶体管阶段
从电子管到晶体管是一个质的变化，因为电子管体积大、笨重、能耗大、寿命短，对电子技术的发展有很大的压制作用。
故而迫切的需要新的电子元件。
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，半导体物理的发展，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5晶体管
据国外媒体报道，在晶体管诞生60年后的今天，其体积几乎缩小到了极限，这就意味着它已经步入“老年时代”。
1947年12月16日，WalterBrattain和JohnBardeen发明了世界上第一个晶体管。
10年后，晶体管被首次应用到硅芯片中。
而如今，晶体管的体积已经缩小到一定程度，很难再有较大突破。
一旦芯片厂商不能将更小体积的晶体管集成到同样尺寸的硅片中，那么芯片产业在过去几年中所经历的性能提升和成本削减将不复存在，而推动数字革命的动力可能也会因此而停止。
即使摩尔定律的发明者戈登摩尔也是这样认为的。
他说：
“摩尔定律也只能再维持10年左右的时间。
”根据摩尔定律，芯片上晶体管的数量在18个月内将翻一番。
为了避免这种尴尬局面的发生，芯片厂商们正投入巨资寻找使用当前晶体管的新模式，以便让晶体管以一种不同而强大的方式运行。
全球最大的芯片厂商英特尔认为，2020年之后，必须依靠一些现在还认为“不可能”的技术来延续摩尔定律，如量子计算和光交换等。
不过晶体管为电子科技做出的贡献之大是无法形容的。
图660年来晶体管的发展
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"发动机可以制造出分子大小的电子电路，使未来计算机体积更小，运算速度更快。
科学家们积极探讨希望能研制出由单个电子、原子和分子构成的器件、连线和电路，把大量的电子系统组成一个巨大的存储系统进而组成功能巨大的并行计算机，最终实现分子电脑和分子机器。
四、电子技术的发展
随着集成芯片密度越来越大，集成的难度也越来越高。
科学家为了提高芯片的处理速度，想到了很多创新性的办法，但是由于电子元件本身具有局限性，可以说如今的晶体管类型已经不能满足集成度和速度的要求，故而业内科学家也提高了现在电子技术面临了瓶颈，只有把电子元件进行改良才能使电子继续走的更远。
随着集成电路技术的发展，硅单晶直拉生产技术，在单晶尺寸、金属杂质含量、掺杂元素和氧分布的均匀性及结晶缺陷等方面得到了不断的改进。
目前，通常使用的硅单晶抛光片的直径以到达200mm或300mm。
但随着集成电路规模的不断增大，对硅单晶片的尺寸要求越来越大，如何控制尺寸变大后晶体中点缺陷将会面临着重大的挑战。
而且当集成度足够小时还要考虑量子力学的影响。
因此，目前电子技术要想发展必须从材料上革新。
虽然电子技术遇到了瓶颈，但是历史走过来发现，每个瓶颈都是一个机遇，都是一场伟大的革新，所以电子技术的未来还是充满光明的，只要把握好机会，一个伟大的革命即将到来。
4.1保持电子技术持续快速发展的方法
4.1.1提高制造工艺
如铜互连技术。
铝在半导体工业中一直被用来作为芯片中的互连金属，但随着集成电路特征尺寸的缩小，工作频率的提高，芯片中铝互连线的电阻已开始阻碍芯片性能的提高，因此，人们开始在芯片制造中用铜代替铝来作为互连金属。
铜的阻抗系数只有铝的一半，用铜互连可以减小供电分布中的电压下降，或在电阻不变的情况下减小同一层内互连线之间的耦合电容，可降低耦合噪音和信号延迟，从而可以达到更高的性能。
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