電子技術的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀PPT課件

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,電子技術發(fā)展歷史與趨勢,電子技術是十九世紀末、二十世紀初開始發(fā)展起來的新興技術，二十世紀發(fā)展最迅速，應用最廣泛，成為近代科學技術發(fā)展的一個重要標志。,引言,進入21世紀，人們面臨的是以微電子技術（半導體和集成電路為代表）電子計算機和因特網為標志的信息社會，高科技的廣泛應用使社會生產力和經濟獲得了空前的發(fā)展。,引言,現(xiàn)代電子技術在國防、科學、工業(yè)、醫(yī)學、通訊（信息采集、處理、傳輸和交流）及文化生活等各個領域中都起著巨大的作用?，F(xiàn)在的世界，電子技術無處不在。 收音機、彩電、音響、VCD、DVD、電子手表、數(shù)碼相機、微電腦、大規(guī)模生產的工業(yè)流水線、因特網、機器人、航天飛機、宇宙探測儀，可以說，人們現(xiàn)在生活在電子世界中，一天也離不開它。,引言,,引言,電子科學與技術專業(yè)由來,一、電子科學與技術的知識領域,二、電子材料與元器件的發(fā)展,電子材料與元器件是電子、信息、機械、航天、國防、自動化等各領域的基石。電子產品中材料與器件的研究是其核心競爭力的源泉。,按電子器件的材料屬性分：半導體材料與器件，陶瓷材料與器件，磁性材料與器件。,按電子器件的發(fā)展階段分：分離元器件（真空電子管、半導體晶體管），集成電路元器件（ SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI ）。,基本器件的兩個發(fā)展階段,分立元件階段（1905～1959） 真空電子管、半導體晶體管 集成電路階段（1959～） SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI,第一代電子?產品以電子管為核心。四十年代末世界上誕生了第一只半導體三極管，它以小巧、輕便、省電、壽?命長等特點，很快地被各國應用起來，在很大范圍內取代了電子管。 五十年代末期，世界上出現(xiàn)了第一塊集成電路，它把許多晶體管等電子元件集成在一塊硅芯片上，使電子產品向更小型化發(fā)展。集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產品向著高效能、低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。,（一）元器件的發(fā)展歷史,真空電子管時代（1905～1948） 為現(xiàn)代技術采取了決定性步驟,主要大事記,1905年 愛因斯坦闡述相對論——E＝mc2 1906年 亞歷山德森研制成高頻交流發(fā)電機 德福雷斯特在弗菜明二極管上加柵極，制威第一只三極管 1912年 阿諾德和蘭米爾研制出高真空電子管 1917年 坎貝爾研制成濾波器 1922年 弗里斯研制成第一臺超外差無線電收音機 1934年 勞倫斯研制成回旋加速器 1940年 帕全森和洛弗爾研制成電子模擬計算機 1947年 肖克萊、巴丁和布拉頓發(fā)明晶體管；香農奠定信息論的基礎,,（一）元器件的發(fā)展歷史,晶體管時代（1948～1959） 宇宙空間的探索即將開始,1947年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊研制成第一個點接觸型晶體管1948年 貝爾實驗室的香農發(fā)表信息論的論文 英國采用EDSAG計算機，這是最早的一種存儲程序數(shù)字計算機 1949年 諾伊曼提出自動傳輸機的概念 1950年 麻省理工學院的福雷斯特研制成磁心存儲器 1952年 美國爆炸第一顆氫彈 1954年 貝爾實驗室研制太陽能電池和單晶硅 1957年 蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星 1958年 美國得克薩斯儀器公司和仙童公司宣布研制成第一個集成電路,主要大事記,（一）元器件的發(fā)展歷史,自1958年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規(guī)模幾個臺階，集成度平均每2年提高近3倍。隨著集成度的提高，器件尺寸不斷減小。,1985年，1兆位ULSI的集成度達到200萬個元件，器件條寬僅為1微米；1992年，16兆位的芯片集成度達到了3200萬個元件，條寬減到0.5微米，而后的64兆位芯片，其條寬僅為0.3微米。,集成電路時代（1950～） 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石,（一）元器件的發(fā)展歷史,可編程邏輯器件（PLD）,數(shù)字信號處理器（DSP）,大規(guī)模存儲芯片（RAM/ROM）,集成電路時代（1950～） 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石,集成電路制造技術的發(fā)展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構成了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石。,微控制芯片（MCU）,（一）元器件的發(fā)展歷史,新型元器件將向微型化、片式化、高性能化、集成化、智能化、環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展； 行業(yè)技術進步的重點：微小型和片式化技術、無源集成技術、抗電磁干擾技術、低溫共燒陶瓷技術、綠色化生產技術等； 電子材料正朝高性能化、綠色化和復合化方向發(fā)展； 新型顯示器件的發(fā)展趨勢是平板化、薄型化、大屏幕高清晰度和環(huán)保節(jié)能： TFT-LCD和PDP成為主流平板顯示器件 新一代平板顯示器件和投影器件也將快速發(fā)展 CRT產品將向高清晰、短管頸方向發(fā)展 電子技術與冶金、有色、化工等其他行業(yè)技術的融合將不斷加深， 高精度、高可靠性設備儀器和新工藝技術將成為電子材料技術發(fā)展的重要因素，綠色無害材料和工藝將得到廣泛應用。,（二）元器件的發(fā)展趨勢,電子材料和元器件技術將發(fā)生深刻變化：,電子元器件產業(yè)(不含集成電路和顯示器件) 新型顯示器件 電子材料 半導體材料 新型顯示器件材料 光電子材料 電子功能陶瓷材料 綠色電池材料 磁性材料、覆銅板材料、電子封裝材料,（三）元器件的發(fā)展重點,16個重大專項中相關的有 核心電子器件 高端通用芯片及基礎軟件 極大規(guī)模集成電路制造技術及成套工藝 11個重點領域及優(yōu)先主題中相關的有 新一代信息功能材料與器件 高清晰度大屏幕平板顯示 8個前沿技術中相關的有 激光技術,（三）元器件的發(fā)展重點,國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）中涉及的重要經濟技術領域：,1. 電子元器件產業(yè),片式元器件 印刷電路板 混合集成電路 傳感器及敏感元器件 綠色電池 新型半導體分立器件 新型機電組件 光通信器件 高亮度發(fā)光二極管,（三）元器件的發(fā)展重點,2.新型顯示器件,TFT-LCD顯示器件 PDP顯示器件 OLED等新一代顯示器件及模塊 CRT顯示器件(高清/短管頸),（三）元器件的發(fā)展重點,3. 電子材料 —半導體材料,大力發(fā)展半導體級和太陽能級多晶硅材料 實現(xiàn)8~12英寸硅單晶及外延片的產業(yè)化 積極發(fā)展6”SiGe，6、8”SO2，4~6”GaAs和InP等化合物半導體材料 重點支持248nm及以下光刻膠、引線框架、金絲、超凈高純試劑，以及8”及以上濺射靶材等配套產品,（三）元器件的發(fā)展重點,在TFT-LCD液晶顯示器件材料方面，積極發(fā)展TFT-LCD液晶材料、大尺寸基板玻璃、彩色濾光片、偏光板和背光模組等關鍵材料生產技術 PDP關鍵材料方面，重點發(fā)展熒光粉、電極材料、介質材料、障壁材料等 OLED關鍵材料方面，主要發(fā)展有機發(fā)光材料、隔離柱材料、lTO基板玻璃,3. 電子材料 —新型顯示器件半導體材料,（三）元器件的發(fā)展重點,以高亮度發(fā)光材料為突破口，著重發(fā)展GaN、SiC等晶體及外延材料等，國內市場占有率達50％以上 保持我國在激光晶體材料方面的生產和技術優(yōu)勢，進一步加大研發(fā)力度，重點發(fā)展高功率激光晶體材料、LD泵浦激光晶體材料、可調諧激光晶體材料、新波長激光晶體材料、高效低閾值晶體材料,3. 電子材料 —光電子材料,（三）元器件的發(fā)展重點,重點研發(fā)和生產高性能高可靠片式電容器陶瓷材料、低溫共燒陶瓷(LTCC)材料及封裝陶瓷材料、賤金屬電子漿料(Ni、Cu) 順應綠色化潮流，積極開展無鉛、無鎘等瓷料研究和生產，并開展納米基瓷料研究和生產,3. 電子材料 —電子功能陶瓷材料,（三）元器件的發(fā)展重點,以電池產業(yè)規(guī)模優(yōu)勢帶動材料發(fā)展，替代進口，重點發(fā)展鋰離子電池高性能、低成本正負極材料，綠色電池高性能隔膜材料。,3. 電子材料 —綠色電池材料,（三）元器件的發(fā)展重點,保持規(guī)模優(yōu)勢，加大研發(fā)力度，提高產品附加值，重點發(fā)展粘結NdFeB永磁材料、納米復合永磁材料、低溫共燒材料和納米軟磁材料、巨磁致伸縮材料、磁致冷材料、電磁屏蔽材料、磁記錄材料、高檔永磁軟磁鐵氧體材料等市場前景好的材料。,3. 電子材料 —磁性材料,（三）元器件的發(fā)展重點,重點發(fā)展環(huán)保型的高性能覆銅板、特殊功能覆銅板、高性能撓性覆銅板和基板材料等。,3. 電子材料 —覆銅板材料,（三）元器件的發(fā)展重點,重點發(fā)展先進封裝模塑料(EMC)、先進的封裝復合材料、高精度引線框架材料、高性能聚合物封裝材料、壓電石英晶體封裝材料、高密度多層基板材料、精密陶瓷封裝材料、無鉛焊料、以及系統(tǒng)封裝(SIP)用先進封裝材料等材料,3. 電子材料 —電子封裝材料,（三）元器件的發(fā)展重點,Honeywell電子材料部總經理Rebecca Liebert： 電子材料廣泛用于整個半導體行業(yè)，而且涉及整個設計和制造流程，在整個半導體產業(yè)鏈的最前端，是技術的增強者 半導體的發(fā)展需要靠設備與材料共同發(fā)展來推動。更重要的是，材料已經開始決定成本優(yōu)勢，材料技術成本決定后期芯片廠的生產優(yōu)勢 材料的精度逐漸加強，降低技術融合的成本以提高競爭力是材料企業(yè)發(fā)展的重點,（三）元器件的發(fā)展啟示,材料是技術的增強者,1.3 微電子技術簡介,（一）微電子技術與集成電路 （二）集成電路的制造 （三）集成電路的發(fā)展趨勢 （四）IC卡,三、微電子與集成電路的發(fā)展,晶體管 (1948),中/小規(guī)模集成 電路(1950年代),大規(guī)模/超大規(guī)模 集成電路(1970年代),電子管 (1904),1.什么是微電子技術？,,,,微電子技術是實現(xiàn)電子電路和電子系統(tǒng)超小型化及微型化的技術，它是以集成電路為核心的電子技術。 微電子技術是信息技術領域中的關鍵技術，是發(fā)展電子信息產業(yè)和各項高技術的基礎。微電子技術的核心是集成電路技術,（一）微電子技術與集成電路,集成電路 (Integrated Circuit，簡稱IC)： 以半導體單晶片作為基片,采用平面工藝，將晶體管、電阻、電容等元器件及其連線所構成的電路制作在基片上所構成的一個微型化的電路或系統(tǒng)。 集成電路的優(yōu)點： 體積小、重量輕 功耗小、成本低 速度快、可靠性高,超大規(guī)模集成電路,小規(guī)模集成電路,2.什么是集成電路？,（一）微電子技術與集成電路,IC是所有電子產品的核心,（一）微電子技術與集成電路,3.集成電路的分類,（一）微電子技術與集成電路,按集成度分： 按用途分： 通用集成電路 專用集成電路（ASIC） 按電路的功能分： 數(shù)字集成電路 模擬集成電路 按晶體管結構、電路和工藝分： 雙極型（Bipolar）電路 金屬氧化物半導體(MOS)電路 ······,集成電路芯片是微電子技術的結晶，它們是計算機和通信設備的核心。 先進的微電子技術→→高集成度芯片→→高性能的計算機→→利用計算機進行集成電路的設計、生產過程控制及自動測試，又能制造出性能高、成本更低的集成電路芯片。 集成電路是現(xiàn)代信息產業(yè)和信息社會的基礎 集成電路是改造和提升傳統(tǒng)產業(yè)的核心技術：2000年世界半導體產值達2000億美元，電子信息產品市場總額超過1萬億美元。 據預測：未來十年內世界半導體的年平均增長率將達15%以上，2010年全世界半導體的年銷售額可達到6000~8000億美元，將支持4~5萬億美元的電子裝備市場。,（一）微電子技術與集成電路,總結,集成電路的制造工序繁多，從原料熔煉開始到最終產品包裝大約需要400多道工序，工藝復雜且技術難度非常高，有一系列的關鍵技術。許多工序必須在恒溫、恒濕、超潔凈的無塵廠房內完成。 目前興建一個有兩條生產線能加工8英寸晶圓的集成電路工廠需投資人民幣10億元以上。,（二）集成電路的制造,硅襯底,,晶圓,,芯片,硅平面工藝,剔除、分類,,集成電路,封裝,,成品,成品測試,,,,,,,集成電路的制造材料：主要是硅，也可以是化合物半導體如砷化鎵。,,400多道工序,（二）集成電路的制造,（三）IC卡,幾乎每個人每天都與IC卡打交道，例如我們的身份證、手機SIM卡、交通卡、飯卡等等，什么是IC卡？它有哪些類型和用途？工作原理大致是怎樣的？ IC卡(chip card、smart card)，又稱為集成電路卡，它是把集成電路芯片密封在塑料卡基片內，使其成為能存儲信息、處理和傳遞數(shù)據的載體,特點： 存儲信息量大 保密性能強 可以防止偽造和竊用 抗干擾能力強 可靠性高 應用舉例： 作為電子證件，記錄持卡人的信息，用作身份識別（如身份證、考勤卡、醫(yī)療卡、住房卡等） 作為電子錢包（如電話卡、公交卡、加油卡等）,1.什么昌IC卡？,存儲器卡：封裝的集成電路為存儲器，信息可長期保存，也可通過讀卡器改寫。結構簡單，使用方便。用于安全性要求不高的場合，如電話卡、水電費卡、公交卡、醫(yī)療卡等 （帶加密邏輯的存儲器卡增加了加密電路） CPU卡：封裝的集成電路為中央處理器（CPU）和存儲器，還配有芯片操作系統(tǒng)(Chip Operating System)，處理能力強，保密性更好，常用作證件和信用卡使用。手機中使用的SIM卡就是一種特殊的CPU卡。,2.IC卡的類型(按芯片分類),（三）IC卡,2.IC卡的類型(按使用方式分類),接觸式IC卡(如電話IC卡) 表面有方型鍍金接口，共8個或6個鍍金觸點。使用時必須將IC卡插入讀卡機，通過金屬觸點傳輸數(shù)據。 用于信息量大、讀寫操作比較復雜的場合,但易磨損、怕臟、壽命短 非接觸式IC卡(射頻卡、感應卡) 采用電磁感應方式無線傳輸數(shù)據，解決了無源（卡中無電源）和免接觸問題 操作方便，快捷，采用全密封膠固化，防水、防污，使用壽命長 用于讀寫信息較簡單的場合，如身份驗證等,非接觸式IC卡,（三）IC卡,集成電路的工作速度主要取決于晶體管的尺寸。晶體管的尺寸越小，其極限工作頻率越高，門電路的開關速度就越快，相同面積的晶片可容納的晶體管數(shù)目就越多。 所以從集成電路問世以來，人們就一直在縮小晶體管、電阻、電容、連接線的尺寸上下功夫。,（四）集成電路的發(fā)展趨勢,IC集成度提高的規(guī)律(Moore定律)：單塊集成電路的集成度平均每18個月翻一番 (Gordon E.Moore,1965年),（四）集成電路的發(fā)展趨勢,IC技術發(fā)展——增大晶圓面積,增大硅晶圓的面積：使每塊晶圓能生產更多的芯片 比如，使用0.13微米的工藝在200mm的晶圓上可以生產大約179個處理器核心，而使用同樣工藝在300mm的晶圓可以制造大約427個處理器核心，而實際成本提高不多,（四）集成電路的發(fā)展趨勢,IC技術發(fā)展——減小蝕刻尺寸,減小蝕刻尺寸，縮小晶體管、電阻、電容和連線的尺寸 尺寸越小，開關速度越快，性能越高 相同面積晶片可容納的晶體管數(shù)目就越多，成本越低 8086的蝕刻尺寸為 3μm Pentium的蝕刻尺寸是 0.80μm Pentium 4的蝕刻尺寸當前是 0.09μm（90納米） 酷睿2雙核的蝕刻尺寸為 0.065μm（65納米） 酷睿2四核的蝕刻尺寸為 0.045μm（45納米） 酷睿i7六核的蝕刻尺寸為 0.032μm（32納米）,（四）集成電路的發(fā)展趨勢,Intel CPU芯片工藝的進展,（四）集成電路的發(fā)展趨勢,進一步提高集成度的問題與出路,問題： 線寬進一步縮小后，晶體管線條小到納米級時，其電流微弱到僅有幾十個甚至幾個電子流動，晶體管將逼近其物理極限而無法正常工作 出路： 在納米尺寸下，納米結構會表現(xiàn)出一些新的量子現(xiàn)象和效應，人們正在利用這些量子效應研制具有全新功能的量子器件，使能開發(fā)出新的納米芯片和量子計算機 同時，正在研究將光作為信息的載體，發(fā)展光子學，研制集成光路，或把電子與光子并用，實現(xiàn)光電子集成,（四）集成電路的發(fā)展趨勢,（一）光電子技術概述 （二）光電子器件的發(fā)展 （三）光電子技術的未來,四、光電子技術的發(fā)展,光學與電子學相互滲透的一門學科。 包括：激光技術、光波導技術、光檢測技術、光信息處理技術、光存儲技術、光顯示技術、太陽能電池，等。 形成了光電子材料與元件產業(yè)、光信息產業(yè)、現(xiàn)代光學產業(yè)、光通信產業(yè)、激光器與激光應用產業(yè)。,（一）光電子技術的概述,（二）光電子器件的發(fā)展,信息技術 - 人類在信息社會生存與發(fā)展的重要支柱,網絡技術革命，將進一步縮小人們的空間和時間距離 人機交互技術的革命，將進一步縮小人與計算機之間的距離 軟件技術的革命，為網絡和計算機的應用提供更加靈活和可靠的技術保證 微電子由IC向IS(系統(tǒng)集成)發(fā)展導致軟、硬件結合技術的革命 分子電子學、量子電子學、信息光子學的興起, 在信息技術領域會引起原理性的變革 現(xiàn)代通信、計算機技術的發(fā)展引起工業(yè)控制系統(tǒng)、技術、方法與理論的革命性變革,（三）光電子技術的未來,信息高速公路的關鍵技術,1. 網絡技術 2. 光纖通信, 同步網技術 3. 異步轉移模式 ( ATM ) 技術 4. 衛(wèi)星通信技術 5. 移動通信技術 (包括全球個人移動通信技術 ) 6. 信息通用接入網技術 7. 高性能并行計算機系統(tǒng)和接口技術,8. 大型數(shù)據庫和圖像庫技術 9. 高級軟件技術和算法 10. 高速LAN 技術 11. ( HDTV )大畫面高清晰度電視 技術 12. 多媒體技術 13. 遠程醫(yī)療診斷支持系統(tǒng) 14. 遠程教育系統(tǒng),（三）光電子技術的未來,光通信新技術,相干光通信 光孤子通信 量子通信,（三）光電子技術的未來,,五、EDA技術與未來電子科技,（一）EDA技術,（二）納米電子技術,（三 ）光子計算機技術,（四）量子計算機技術,（五）分子計算機技術,（六）生物計算機技術,,（一）EDA技術,電子設計技術的核心就是EDA技術。EDA是指以計算機為工作平臺，融合應用電子技術、計算機技術、智能化技術最新成果而研制成的電子CAD通用軟件包，主要能輔助進行三方面的設計工作，即IC設計、電子電路設計和PCB設計。,,ARM開發(fā)板,電子系統(tǒng)設計自動化(ESDA)階段（ 90年代以后）：設計人員按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，系統(tǒng)的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現(xiàn)，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統(tǒng)行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。,EDA技術發(fā)展的三個階段：,計算機輔助設計(CAD)階段（ 70年代）：用計算機輔助進行IC版圖編輯、PCB布局布線，取代了手工操作。,計算機輔助工程(CAE)階段（ 80年代）：與CAD相比，CAE除了有純粹的圖形繪制功能外，又增加了電路功能設計和結構設計，并且通過電氣連接網絡表將兩者結合在一起，實現(xiàn)了工程設計。CAE的主要功能是：原理圖輸入，邏輯仿真，電路分析，自動布局布線，PCB后分析。,（一）EDA技術,納米電子學主要在納米尺度空間內研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性，研究納米尺度空間內的納米膜、納米線。納米點和納米點陣構成的基于量子特性的納米電子器件的電子學功能、特性以及加工組裝技術。其性能涉及放大、振蕩、脈沖技術、運算處理和讀寫等基本問題。其新原理主要基于電子的波動性、電子的量子隧道效應、電子能級的不連續(xù)性、量子尺寸效應和統(tǒng)計漲落特性等。,從微電子技術到納米電子器件將是電子器件發(fā)展的第二次變革，與從真空管到晶體管的第一次變革相比，它含有更深刻的理論意義和豐富的科技內容。在這次變革中，傳統(tǒng)理論將不再適用，需要發(fā)展新的理論，并探索出相應的材料和技術。,（二）納米電子技術,光能夠像電一樣來傳遞信息，甚至效果更好。而且，更重要的一個特點在于它不會和周圍環(huán)境發(fā)生相互干擾的作用。,（三 ）光子計算機技術,是運用量子力學來設計的。從理論上說，它們的速度提高可以說是沒有止境的，因為量子計算技術可以在同一時間內執(zhí)行各種操作，同時有足夠的能力來完成現(xiàn)在電子計算機還很難完成的任務，比如說完成密碼的破譯和語音的識別等等。這是因為量子不像半導體只能記錄0與1，它可以同時表示多種狀態(tài)。如果把半導體比成單一樂器，量子電腦就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況。,（四）量子計算機技術,（五）分子計算機技術,現(xiàn)在已經開發(fā)出來一種能夠由氮氣和二氯化碳來開動和關閉的分子計算機，這種超高速的微型計算機離現(xiàn)實已經很近了。分子計算機能夠比硅計算機更小、更便宜,耗 ... 分子計算機的各種應用:手表大的超級計算機、可縫進到衣服里 ...,（六）生物計算機技術,實際上就是隨著生物技術的發(fā)展，人們將模仿人的大腦制造一種用基因學的機制來開發(fā)的新一代計算機。 現(xiàn)在生物計算機的模型已經出來。以色列的科學家制造了一個有可能會比單個活細胞還要小的計算機的模型。這么微小的計算機也可能將在我們的體內漫游，監(jiān)視我們的健康。也許會糾正它所發(fā)現(xiàn)人體內哪個地方脂肪的堆積，幫助解決問題。其實每一個細胞實際上都是一個復雜的生物機件，一個系統(tǒng)。用這么一種仿生技術來制造生物計算機。,懇請批評指正！,物理與電子技術系 2013年9月,