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1、物理与电子技术系物理与电子技术系物理与电子技术系物理与电子技术系 杨果仁杨果仁杨果仁杨果仁2013201320132013年年年年9 9 9 9月月月月24242424日日日日 电子技术是电子技术是十九世十九世纪末、二十世纪初纪末、二十世纪初开始开始发展起来的新兴技术，发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为应用最广泛，成为近代近代科学技术科学技术发展的一个发展的一个重重要标志要标志。 进入21世纪，人们面临的是以微电子技术微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机电子计算机和因特网因特网为标志的信息社会信息社会，高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了
2、空前的发展。 现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息信息采集、处理、传输和交流采集、处理、传输和交流）及文化生活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，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。电子科学与技术的电子科学与技术的知识领域知识领域一一电子材料与元器件电子材料与元器件的发展的发展二二微电子技术微电子技术的发展的发展三三光电子技术光电子技术的发展的发展四四EDA技术技术及及未来电子科技未来电子科技五五电子科学与技术
3、专业由来电子科学与技术专业由来物理电物理电子技术子技术光电子光电子技术技术微电子微电子技术技术电磁场电磁场与微波与微波电子材电子材料与元料与元器件器件电子科电子科学与学与技术技术 电子材料与元器件电子材料与元器件是电子、信息、机械、航天、国防、是电子、信息、机械、航天、国防、自动化等各领域的自动化等各领域的基石基石。电子产品中材料与器件的研究是其。电子产品中材料与器件的研究是其核核心竞争力心竞争力的源泉。的源泉。 按电子器件的按电子器件的材料属性材料属性分：分：半导半导体材料体材料与器件，与器件，陶瓷材料陶瓷材料与器件，与器件，磁性磁性材料材料与器件。与器件。 按电子器件的按电子器件的发展阶段
4、发展阶段分：分：分离分离元器件元器件（真空电子管、半导体晶体管），（真空电子管、半导体晶体管），集成电路元器件集成电路元器件（ SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI、ULSIULSI ）。）。基本器件的两个发展阶段基本器件的两个发展阶段v分立元件阶段（分立元件阶段（1905190519591959）真空电子管、半导体晶体管v集成电路阶段（集成电路阶段（19591959）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI第一代电子第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界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、上诞生了第一只半导体三极管
5、，它以小巧、轻便、省电、寿寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。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着高效能、低消耗、高精度、高稳定、智能化高效能、低消耗、高
6、精度、高稳定、智能化的方向发展。的方向发展。v真空电子管时代（真空电子管时代（1905190519481948）为现代技术采取了决定性步骤主要大事记主要大事记19051905年年 爱因斯坦阐述相对论爱因斯坦阐述相对论E Emcmc2 219061906年年 亚历山德森研制成高频交流发电机亚历山德森研制成高频交流发电机 德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管19121912年年 阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管19171917年年 坎贝尔研制成滤波器坎贝尔研制成滤波器19221922年年 弗里斯研制成第
7、一台超外差无线电收音机弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机19341934年年 劳伦斯研制成回旋加速器劳伦斯研制成回旋加速器19401940年年 帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机19471947年年 肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础v晶体管时代（晶体管时代（1948194819591959）宇宙空间的探索即将开始19471947年年 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19481948年年 贝尔实验室的香农发
8、表信息论的论文贝尔实验室的香农发表信息论的论文 英国采用英国采用EDSAGEDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机19491949年年 诺伊曼提出自动传输机的概念诺伊曼提出自动传输机的概念19501950年年 麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器19521952年年 美国爆炸第一颗氢弹美国爆炸第一颗氢弹19541954年年 贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅19571957年年 苏联发射第一颗人造地球卫星苏联发射第一颗人造地球卫星19581958年年 美国得克萨斯仪器公司和仙
9、童公司宣布研制成第一个集成电路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主要大事记时时 期期规规 模模集成度集成度（元件数）（元件数）5050年代末年代末小规模集成电路（小规模集成电路（SSISSI）1001006060年代年代中中规模集成电路（规模集成电路（MSIMSI）100010007070年代年代大规模集成电路（大规模集成电路（LSILSI）100010007070年代末年代末超超大规模集成电路（大规模集成电路（VLSIVLSI）10000100008080年代年代特大规模集成电路（特大规模集成电路（ULSIULSI）100000100000 自1958年第一块集
10、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，其条宽仅为0.3微米。v集成电路时代（集成电路时代（19501950）现代数字系统的基石现代数字系统的基石可编程逻可编程逻辑器件辑器件（PLD）数字信号处数字信号处理器理器（DSP）大规模存储芯片大规模存储芯片（RAM/ROM）v集成电路时代（集成电路时代（19501950）现代数字系统
11、的基石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。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。微控制芯片微控制芯片（MCU）1.新型元器件将向新型元器件将向微型化微型化、片式化、高性能化、片式化、高性能化、集成化集成化、智能化、智能化、环保节能环保节能方向发展；方向发展；2.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；技
12、术、低温共烧陶瓷技术、绿色化生产技术等；3.电子材料正朝电子材料正朝高性能高性能化、化、绿色化绿色化和和复合化复合化方向发展；方向发展；4.4.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：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5.5.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，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， 高精高精度度、高可靠性设备仪器和、高可靠性设备仪器和新工艺新工艺技术将成为电子材
13、料技术发展的重要因素，技术将成为电子材料技术发展的重要因素，绿色无害绿色无害材料和工艺将得到广泛应用。材料和工艺将得到广泛应用。电子材料和元器件电子材料和元器件技术将发生深刻变化技术将发生深刻变化：1.1.电子元器件产业电子元器件产业( (不含集成电路和显示器件不含集成电路和显示器件) )2.2.新型显示器件新型显示器件3.3.电子材料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16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
14、度大屏幕平板显示8个前沿技术中相关的有激光技术 国家中长期科技发展规划纲要（国家中长期科技发展规划纲要（2006-20202006-2020）中中涉及的重要经济技术领域：涉及的重要经济技术领域：1. 1. 电子元器电子元器件产业件产业v片式元器件片式元器件v印刷电路板印刷电路板v混合集成电路混合集成电路v传感器及敏感元器件传感器及敏感元器件v绿色电池绿色电池v新型半导体分立器件新型半导体分立器件v新型机电组件新型机电组件v光通信器件光通信器件v高亮度发光二极管高亮度发光二极管2.2.新型显示新型显示器件器件vTFT-LCDTFT-LCD显示器件显示器件vPDPPDP显示器件显示器件vOLEDO
15、LED等新一代显示器件及模块等新一代显示器件及模块vCRTCRT显示器件显示器件( (高清高清/ /短管颈短管颈) )3. 3. 电子材料电子材料 半导体材料半导体材料v大力发展半导体级和太阳能级大力发展半导体级和太阳能级多晶硅材料多晶硅材料v实现实现8 8 1212英寸英寸硅单晶及外延片硅单晶及外延片的产业化的产业化v积极发展积极发展6 6”SiGeSiGe，6 6、8 8”SOSO2 2，4 4 6 6”GaAsGaAs和和InPInP等等化合化合物半导体材料物半导体材料v重点支持重点支持248nm248nm及以下光刻胶、引线框架、金丝、及以下光刻胶、引线框架、金丝、超净高超净高纯试剂，以
16、及纯试剂，以及8 8”及以上溅射靶材等配套产品及以上溅射靶材等配套产品v在在TFT-LCDTFT-LCD液晶显示器件材料方面，积极发展液晶显示器件材料方面，积极发展TFT-LCDTFT-LCD液晶液晶材料材料、大尺寸基板玻璃大尺寸基板玻璃、彩色滤光片彩色滤光片、偏光板偏光板和背光模组和背光模组等关键材料生产技术等关键材料生产技术vPDPPDP关键材料方面，重点发展关键材料方面，重点发展荧光粉荧光粉、电极材料电极材料、介质材介质材料料、障壁材料障壁材料等等vOLEDOLED关键材料方面，主要发展关键材料方面，主要发展有机发光材料有机发光材料、隔离柱材料隔离柱材料、lTOlTO基板玻璃基板玻璃3.
17、 3. 电子材料电子材料 新型显示器新型显示器件件件件半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料v以以高亮度发光材料高亮度发光材料为突破口，着重发展为突破口，着重发展GaNGaN、SiCSiC等晶体等晶体及外延材料等，国内市场占有率达及外延材料等，国内市场占有率达5050以上以上v保持我国在保持我国在激光晶体材料激光晶体材料方面的生产和技术优势，进一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、步加大研发力度，重点发展高功率激光晶体材料、LDLD泵泵浦激光晶体材料、可调谐激光晶体材料、新波长激光晶浦激光晶体材料、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体
18、材料、高效低阈值晶体材料3. 3. 电子材料电子材料 光电子光电子材料材料材料材料v重点研发和生产高性能高可靠重点研发和生产高性能高可靠片式电容器陶瓷材料片式电容器陶瓷材料、低、低温共烧陶瓷温共烧陶瓷( (LTCCLTCC) )材料及材料及封装陶瓷材料封装陶瓷材料、贱金属电子浆贱金属电子浆料料(Ni(Ni、Cu)Cu)v顺应绿色化潮流，积极开展顺应绿色化潮流，积极开展无铅、无镉无铅、无镉等瓷料研究和生等瓷料研究和生产，并开展产，并开展纳米基瓷料纳米基瓷料研究和生产研究和生产3. 3. 电子材料电子材料 电子功能陶瓷电子功能陶瓷材料材料材料材料v以电池产业规模优势带动材料发展，替代进口，重点发以
19、电池产业规模优势带动材料发展，替代进口，重点发展展锂离子电池锂离子电池高性能、低成本高性能、低成本正负极材料正负极材料，绿色电池高绿色电池高性能隔膜性能隔膜材料。材料。3. 3. 电子材料电子材料 绿色电池绿色电池材料材料材料材料v保持规模优势，加大研发保持规模优势，加大研发力度，提高产品附加值，力度，提高产品附加值，重点发展粘结重点发展粘结NdFeBNdFeB永磁材永磁材料、纳米复合永磁材料、料、纳米复合永磁材料、低温共烧材料和纳米软磁低温共烧材料和纳米软磁材料、巨磁致伸缩材料、材料、巨磁致伸缩材料、磁致冷材料、电磁屏蔽材磁致冷材料、电磁屏蔽材料、磁记录材料、高档永料、磁记录材料、高档永磁软
20、磁铁氧体材料等市场磁软磁铁氧体材料等市场前景好的材料。前景好的材料。3. 3. 电子材料电子材料 磁性磁性材料材料材料材料v重点发展重点发展环保环保型型的高性能覆的高性能覆铜板、特殊功铜板、特殊功能覆铜板、高能覆铜板、高性能挠性覆铜性能挠性覆铜板和基板材料板和基板材料等。等。3. 3. 电子材料电子材料 覆铜板覆铜板材料材料材料材料v重点发展先进重点发展先进封装模塑料封装模塑料(EMC)(EMC)、先进的封装复合材、先进的封装复合材料、高精度引线料、高精度引线框架材料、框架材料、高性能聚合物高性能聚合物封装材料、封装材料、压电石英晶体压电石英晶体封装材料、封装材料、高密度多层基板高密度多层基板
21、材料、材料、精精密陶瓷密陶瓷封装材料、无铅焊封装材料、无铅焊料、以及系统封装料、以及系统封装(SIP)(SIP)用用先进封装材料等材料先进封装材料等材料3. 3. 电子材料电子材料 电子封装电子封装材料材料材料材料HoneywellHoneywell电子材料部总经理电子材料部总经理Rebecca Rebecca LiebertLiebert： v电子材料广泛用于电子材料广泛用于整个半导体行业整个半导体行业，而且涉及整个设计，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，是和制造流程，在整个半导体产业链的最前端，是技术的技术的增强者增强者v半导体的发展需要半导体的发展需要靠设备与材料共
22、同发展靠设备与材料共同发展来推动。更重来推动。更重要的是，材料已经开始要的是，材料已经开始决定成本优势决定成本优势，材料技术成本决，材料技术成本决定后期芯片厂的生产优势定后期芯片厂的生产优势v材料的精度材料的精度逐渐加强，降低技术融合的成本以提高竞争逐渐加强，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力是材料企业发展的重点材料材料是是技术技术的的增强者增强者1.3 微电子技术简介微电子技术简介（一）微电子技术与集成电路（一）微电子技术与集成电路（二）集成电路的制造（二）集成电路的制造（三）集成电路的发展趋势（三）集成电路的发展趋势（四）（四）ICIC卡卡晶体管晶体管(1948)(194
23、8)中中/ /小规模集成小规模集成电路电路(1950(1950年代年代) )大规模大规模/ /超大规模超大规模集成电路集成电路(1970(1970年代年代) )电子管电子管(1904)(1904)1.1.什么是微电子技术？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v集成电路集成电路 (Integrated Circuit(Integrated Circuit，简称简称IC)IC)：以半导体单晶片作为基片以半导体单晶片作为
24、基片, ,采用平面工艺，将晶体管、电采用平面工艺，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。所构成的一个微型化的电路或系统。v集成电路的优点：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超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路2.2.什么是集成电路？什么是集成电路？ICIC是所有电子产品的核心是所有电子产品的核心中文中文名称名称英文英文简称简称英文全称英文全称集成度集成度集成集成对象对象小规模小规模集成电路集成电路SSISSISmall scale Small
25、scale Integration Integration 100100(100万）万）3.集成电路的分类集成电路的分类v按集成度分：按集成度分：v按用途分按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）v按电路的功能分：按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路v按按晶晶体体管管结结构构、电电路路和和工艺分：工艺分：双极型（Bipolar）电路金 属 氧 化 物 半 导 体(MOS)电路v集集成成电电路路芯芯片片是是微微电电子子技技术术的的结结晶晶，它它们们是是计计算算机机和和通通信信设设备备的核心。的核心。vv先先先先进进进进的的的的微微微微电电电电子子子子技技技技术术术术高高高高集集集集成成
26、成成度度度度芯芯芯芯片片片片高高高高性性性性能能能能的的的的计计计计算算算算机机机机利利用用计计算算机机进进行行集集成成电电路路的的设设计计、生生产产过过程程控控制制及及自自动动测测试试，又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片。又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片。v集成电路是现代信息产业和信息社会的集成电路是现代信息产业和信息社会的基础基础v集集成成电电路路是是改改造造和和提提升升传传统统产产业业的的核核心心技技术术：20002000年年世世界界半半导导体产值达体产值达20002000亿美元，电子信息产品市场总额超过亿美元，电子信息产品市场总额超过1 1万亿美元。万亿美元。v据据预预测
27、测：未未来来十十年年内内世世界界半半导导体体的的年年平平均均增增长长率率将将达达15%15%以以上上，20102010年年全全世世界界半半导导体体的的年年销销售售额额可可达达到到6000800060008000亿亿美美元元，将将支支持持4545万亿美元的电子装备市场。万亿美元的电子装备市场。总结总结 集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终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产品包装大约需要400400多道工序多道工序，工艺复杂且技术难度，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的
28、无尘厂房内完成。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目前兴建一个有两条生产线能加工8 8英寸晶圆的集成英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币电路工厂需投资人民币1010亿元以上。亿元以上。 硅衬底硅衬底硅衬底硅衬底晶圆晶圆晶圆晶圆芯片芯片芯片芯片硅硅硅硅平面工艺平面工艺平面工艺平面工艺剔除、分类剔除、分类剔除、分类剔除、分类集成电路集成电路集成电路集成电路封装封装成品成品成品成品成品测试成品测试成品测试成品测试集集集集成成成成电电电电路路路路的的的的制制制制造造造造材材材材料料料料：主主主主要要要要是是是是硅硅硅硅，也可以是也可以是也可以是也可以是化合物半导体如砷化镓化合
29、物半导体如砷化镓化合物半导体如砷化镓化合物半导体如砷化镓。 400400多道工序多道工序多道工序多道工序 几乎每个人每天都与几乎每个人每天都与ICIC卡打交道，例如我们的身份证、手机卡打交道，例如我们的身份证、手机SIMSIM卡、卡、交通卡、饭卡等等，什么是交通卡、饭卡等等，什么是ICIC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？是怎样的？ IC IC卡卡(chip card(chip card、smart card)smart card)，又称为集成电路卡，它是把集成，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传
30、递数据电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体的载体v特点特点：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v应用举例：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）1.1.什么昌什么昌ICIC卡？卡？v存存储储器器卡卡：封封装装的的集集成成电电路路为为存存储储器器，信信息息可可长长期期保保存存，也也可可通通过过读读卡卡器器改改写写。结结构构简简单单，使使用用方方便便。用用于于安安全全性性要要求求不不高高的的场场合合，如如电电话话卡卡、水水电电费费卡卡、公公交交卡
31、卡、医医疗卡等疗卡等（带加密逻辑的存储器卡（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）增加了加密电路）vCPUCPU卡卡：封封装装的的集集成成电电路路为为中中央央处处理理器器（CPUCPU）和和存存储储器器，还还配配有有芯芯片片操操作作系系统统(Chip (Chip Operating Operating System)System)，处处理理能能力力强强，保保密密性性更更好好，常常用用作作证证件件和和信信用用卡卡使使用用。手手机机中使用中使用的的SIMSIM卡就是一种特殊卡就是一种特殊的的CPUCPU卡。卡。2.2.ICIC卡的类型卡的类型( (按芯片分类按芯片分类) )2.IC2.IC卡的类型卡
32、的类型( (按使用方式分类按使用方式分类) )v接触式接触式ICIC卡卡( (如电话如电话ICIC卡卡) )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v非接触式非接触式ICIC卡卡( (射频卡、感应卡射频卡、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 接触式接触式IC卡卡接触式接触式IC卡的结构卡的结构非接触式非接触式IC卡卡 集成电路的工作速度主要取决于
33、晶体管的尺寸。晶体管集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。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。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，人们就一直在所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、缩小晶体管、电阻、电容、连接线电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。的尺寸上下功夫。 IC集集成成度度提提高高的的规规律律( (MooreMoore定定律律) )：单单块块集集成成电电路路的的集集成成度度平均每平均每1818个月翻一番个月翻一番 (Gordo
34、n E.Moore,1965(Gordon E.Moore,1965年年) )ICIC技术发展技术发展增大晶圆面积增大晶圆面积v增大硅晶圆的面积：使每块增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片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，而实际成本提高不多 ICIC技术发展技术发展减小蚀刻尺寸减小蚀刻尺寸v减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸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
35、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）Intel CPUIntel CPU芯片工艺的进展芯片工艺的进展进一步提高集成度的问题与出路进一步提高集成度的问题与出路v问题：问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，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v出路：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
36、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（一）光电子技术概述（一）光电子技术概述（二）光电子器件的发展（二）光电子器件的发展（三）光电子技术的未来（三）光电子技术的未来v光学与电子学相互渗透的一门学科。光学与电子学相互渗透的一门学科。v包括：包括：激光技术、光波导技术、光检测技术、光信息处理激光技术、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、太阳能电池技术、光存储技术、光显示技术、太阳能电池，等。，等。v形成了形成了光电子材料与元件产业、光
37、信息产业、现代光学产光电子材料与元件产业、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业、光通信产业、激光器与激光应用产业。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信息高速公路的关键技术信息高速公路的关键技术
38、1. 1. 网络技术网络技术2. 2. 光纤通信光纤通信, , 同步网技术同步网技术3. 3. 异步转移模式异步转移模式 ( ATM ) ( ATM ) 技术技术4. 4. 卫星通信技术卫星通信技术5. 5. 移动通信技术移动通信技术 ( (包括全球个人包括全球个人移动通信技术移动通信技术 ) )6. 6. 信息通用接入网技术信息通用接入网技术7. 7. 高性能并行计算机系统和接口高性能并行计算机系统和接口技术技术8. 8. 大型数据库和图像库技术大型数据库和图像库技术9. 9. 高级软件技术和算法高级软件技术和算法10. 10. 高速高速LAN LAN 技术技术11. 11. ( HDTV
39、)大画面高清晰度大画面高清晰度电视电视 技术技术12. 12. 多媒体技术多媒体技术13. 13. 远程医疗诊断支持系统远程医疗诊断支持系统14. 14. 远程教育系统远程教育系统光通光通信新信新技术技术相干光通信相干光通信光孤子通信光孤子通信量子通信量子通信 电子设计技术的核心就是电子设计技术的核心就是EDAEDA技术。技术。EDAEDA是指以计算机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术最新成果而研制成的电子CADCAD通用软件包，主要能辅助进通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作，即行三
40、方面的设计工作，即ICIC设计、电子电路设计和设计、电子电路设计和PCBPCB设计。设计。ARM开发板开发板 电子系统设计自动化电子系统设计自动化(ESDA)(ESDA)阶段（阶段（ 9090年代以后）：设计人员按照年代以后）：设计人员按照“自顶向下自顶向下”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（的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASICASIC）实现，然后采用硬件描实现，然后采用硬件描述语言（述语言（HDLHDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最完成系统行为级设计，最后通过综合
41、器和适配器生成最终的目标器件。终的目标器件。EDAEDA技术发展的三个阶段：技术发展的三个阶段： 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)阶段（阶段（ 7070年代）：用计算机辅助进行年代）：用计算机辅助进行ICIC版图版图编辑、编辑、PCBPCB布局布线，取代了手工操作。布局布线，取代了手工操作。 计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE)(CAE)阶段（阶段（ 8080年代）：与年代）：与CADCAD相比，相比，CAECAE除了有纯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
42、一起，实现了工程设计。气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。CAECAE的主要功能是：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，原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCBPCB后分析。后分析。 纳米电子学主要在纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性分子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳，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。其性能涉及器件的电子学功能、特性以及加
43、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。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
44、论将不再适用，需要发容。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。展新的理论，并探索出相应的材料和技术。 光能够像电一光能够像电一样来传递信息，甚至样来传递信息，甚至效果更好。而且，更效果更好。而且，更重要的一个特点在于重要的一个特点在于它不会和周围环境发它不会和周围环境发生相互干扰的作用。生相互干扰的作用。是运用量子力学来设计的。从理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，同时有足够的能时间内执行各种操作，同时有足
45、够的能力来完成现在电子计算机还很难完成的力来完成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。识别等等。这是因为量子不像半导体只这是因为量子不像半导体只能记录能记录0 0与与1 1，它可以同时表示多种状态。，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就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况。不同状况。 现在已经开发出来一种能现在已经开发出来一种能现在已经开发出来一种能现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和够由氮气和二氯化碳来开动和够由氮气和二
46、氯化碳来开动和够由氮气和二氯化碳来开动和关闭的分子计算机，这种超高关闭的分子计算机，这种超高关闭的分子计算机，这种超高关闭的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经很速的微型计算机离现实已经很速的微型计算机离现实已经很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近了。分子计算机能够比硅计近了。分子计算机能够比硅计近了。分子计算机能够比硅计算机更小、更便宜算机更小、更便宜算机更小、更便宜算机更小、更便宜, , , ,耗耗耗耗 . . . . 分分分分子计算机的各种应用子计算机的各种应用子计算机的各种应用子计算机的各种应用: : : :手表大手表大手表大手表大的超级计算机、可缝进到衣服
47、的超级计算机、可缝进到衣服的超级计算机、可缝进到衣服的超级计算机、可缝进到衣服里里里里 . 实际上就是随着生物技术的发展，人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。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。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物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造生物计算机。来制造生物计算机。物理与电子技术系物理与电子技术系 20132013年年9 9月月
