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1、,电子技术发展历史与趋势,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。,引言,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。,引言,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
2、在生活在电子世界中，一天也离不开它。,引言,引言,电子科学与技术专业由来,一、电子科学与技术的知识领域,二、电子材料与元器件的发展,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（19051959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULS
3、I,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。,（一）元器件的发展历史,真空电子管时代（19051948）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Emc21906年 亚历山德森研制成高频交流发电机 德福雷斯特
4、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,（一）元器件的发展历史,晶体管时代（19481959）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1
5、950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,（一）元器件的发展历史,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
6、宽仅为0.3微米。,集成电路时代（1950）现代数字系统的基石,（一）元器件的发展历史,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）,（一）元器件的发展历史,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；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；电子材料正朝高性能化、绿色化和复合化方向发展
7、；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：TFT-LCD和PDP成为主流平板显示器件新一代平板显示器件和投影器件也将快速发展CRT产品将向高清晰、短管颈方向发展电子技术与冶金、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。,（二）元器件的发展趋势,电子材料和元器件技术将发生深刻变化：,电子元器件产业(不含集成电路和显示器件)新型显示器件电子材料半导体材料新型显示器件材料光电子材料电子功能陶瓷材料绿色电池材料磁性材料、覆铜板材料、电子封装材料,（三）元器件的发展重点,16
8、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,（三）元器件的发展重点,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,（三）元器件的发展重点,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),（三）元器件的发展重点,
9、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812英寸硅单晶及外延片的产业化积极发展6”SiGe，6、8”SO2，46”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,（三）元器件的发展重点,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
10、料,（三）元器件的发展重点,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,（三）元器件的发展重点,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,（三）元器件的发展重点,以
11、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,（三）元器件的发展重点,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,（三）元器件的发展重点,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,（三）元器件的发展重点,重点发展先进封装模塑料(EMC)、先进的封
12、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,（三）元器件的发展重点,Honeywell电子材料部总经理Rebecca Liebert：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,（三）元器件的发展启示
13、,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,三、微电子与集成电路的发展,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,（一）微电子技术与集成电路,集成电路(Integrated Circuit，简称IC)：以半导体单晶片
14、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？,（一）微电子技术与集成电路,IC是所有电子产品的核心,（一）微电子技术与集成电路,3.集成电路的分类,（一）微电子技术与集成电路,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
15、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60008000亿美元，将支持45万亿美元的电子装备市场。,（一）微电子技术与集成电路,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
16、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。,（二）集成电路的制造,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,（二）集成电路的制造,（三）IC卡,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(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡
17、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，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便。用于安全性要求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统(Chip Operating System)，处理能力强，保密
18、性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。,2.IC卡的类型(按芯片分类),（三）IC卡,2.IC卡的类型(按使用方式分类),接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等,非接触式IC卡,（三）IC卡,集成电路的工作速度主要取决于晶体管
19、的尺寸。晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路的开关速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。,（四）集成电路的发展趋势,IC集成度提高的规律(Moore定律)：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(Gordon E.Moore,1965年),（四）集成电路的发展趋势,IC技术发展增大晶圆面积,增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片比如，使用0.13微米的工艺在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用同样工艺在300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，而实际成本提高
20、不多,（四）集成电路的发展趋势,IC技术发展减小蚀刻尺寸,减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸尺寸越小，开关速度越快，性能越高相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本越低8086的蚀刻尺寸为 3mPentium的蚀刻尺寸是 0.80mPentium 4的蚀刻尺寸当前是 0.09m（90纳米）酷睿2双核的蚀刻尺寸为 0.065m（65纳米）酷睿2四核的蚀刻尺寸为 0.045m（45纳米）酷睿i7六核的蚀刻尺寸为 0.032m（32纳米）,（四）集成电路的发展趋势,Intel CPU芯片工艺的进展,（四）集成电路的发展趋势,进一步提高集成度的问题与出路,问题：线宽进一步缩小后，晶体管
21、线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成,（四）集成电路的发展趋势,（一）光电子技术概述（二）光电子器件的发展（三）光电子技术的未来,四、光电子技术的发展,光学与电子学相互渗透的一门学科。包括：激光技术、光波导技术、光检测技术、光信息处理技术、光存储技术、光显示技术、太阳能电池，等。形成了光电子材料与元件
22、产业、光信息产业、现代光学产业、光通信产业、激光器与激光应用产业。,（一）光电子技术的概述,（二）光电子器件的发展,信息技术-人类在信息社会生存与发展的重要支柱,网络技术革命，将进一步缩小人们的空间和时间距离人机交互技术的革命，将进一步缩小人与计算机之间的距离软件技术的革命，为网络和计算机的应用提供更加灵活和可靠的技术保证微电子由IC向IS(系统集成)发展导致软、硬件结合技术的革命分子电子学、量子电子学、信息光子学的兴起,在信息技术领域会引起原理性的变革现代通信、计算机技术的发展引起工业控制系统、技术、方法与理论的革命性变革,（三）光电子技术的未来,信息高速公路的关键技术,1.网络技术2.光纤
23、通信,同步网技术3.异步转移模式(ATM)技术4.卫星通信技术5.移动通信技术(包括全球个人移动通信技术)6.信息通用接入网技术7.高性能并行计算机系统和接口技术,8.大型数据库和图像库技术9.高级软件技术和算法10.高速LAN 技术11.(HDTV)大画面高清晰度电视 技术12.多媒体技术13.远程医疗诊断支持系统14.远程教育系统,（三）光电子技术的未来,光通信新技术,相干光通信光孤子通信量子通信,（三）光电子技术的未来,五、EDA技术与未来电子科技,（一）EDA技术,（二）纳米电子技术,（三）光子计算机技术,（四）量子计算机技术,（五）分子计算机技术,（六）生物计算机技术,（一）EDA技
24、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。,ARM开发板,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器件。,EDA技术发展的三个阶段：,计算机辅助设计(CAD)阶段（70年代）：用计算机辅助进行IC版图
25、编辑、PCB布局布线，取代了手工操作。,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。,（一）EDA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
26、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。,（二）纳米电子技术,光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。,（三）光子计算机技术,是运用量子力学来设计的。从理论上说，它们的速度提高可以说是没有止境的，因为量子计算技术可以在同一时间内执行各种操作，同时有足够的能力来完成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完
27、成密码的破译和语音的识别等等。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，它可以同时表示多种状态。如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况。,（四）量子计算机技术,（五）分子计算机技术,现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和关闭的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经很近了。分子计算机能够比硅计算机更小、更便宜,耗.分子计算机的各种应用:手表大的超级计算机、可缝进到衣服里.,（六）生物计算机技术,实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们的健康。也许会纠正它所发现人体内哪个地方脂肪的堆积，帮助解决问题。其实每一个细胞实际上都是一个复杂的生物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造生物计算机。,恳请批评指正！,物理与电子技术系 2013年9月,
