1.2 电子技术的发展历史及其研究热点

1.2.1 电子技术的发展历史

电子技术，特别是微电子技术是20世纪发展最为迅速、影响最为广泛的技术成就。电子技术的核心是电子器件，电子器件的进步和换代，引起了电子电路极大的变化，出现了很多新的电路和应用。因此，电子技术的发展历史也可以说是电子器件不断更新换代的历史。

1869年Hittorf和Crookes发明阴极射线管应是电子技术发展历史的起点。1904年11月英国伦敦大学的John Fleming发明了真空电子二极管，这是一种在真空条件下利用电子在电场中的运动规律实现单向导电的器件。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。当时意大利的Marconi已经发明了无线电（1901年），于是二极管立即被应用于无线电检波和整流。

1906年美国的Lee De Forest发明了对电子信号具有放大作用的真空电子三极管（简称电子管），该发明是电子技术史上的一个里程碑，他本人因发明三极管而被称为“无线电之父”。人们从此找到了放大电信号的方法，使远程无线电通信成为可能。随着无线电技术的迅速发展，电子工业开始形成。

1926—1936年间随着量子力学的创立和量子场论的发展，不仅使人们对半导体的认识程度逐渐深入，也为微电子与光电子技术以及信息技术的发展奠定了科学基础。1930年Electronics杂志出版，从此出现了一个新的名词和新的产业。电子学是电路和系统中运用电子器件的工程领域及产业，20世纪前半叶电子学中真空管起主导作用。20世纪30年代末期，实验室中已经制作出早期的半导体器件。

在晶体管发明以前的近半个世纪里，电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电子技术随后取得的许多成就，如电视、雷达、计算机的发明，都是和电子管分不开的。但是，电子管在体积、重量、功耗、寿命等方面存在局限性，远不能满足军事上轻便、高效的要求。美国贝尔实验室的研究人员John Bardeen，William Shockley和Walter Brattain合作研究晶体管的理论和制作。1947年底，他们用锗半导体晶体制成了具有电流、电压放大功能的第一只点接触型晶体三极管。这是电子科学技术发展史上又一个划时代的重大发明，从此拉开了电子技术革命的帷幕，为电子电路集成化和数字化提供了重要的物理基础。

初期的晶体管是点接触型的，制造比较困难，稳定性较差。1957年，贝尔实验室的研究人员发明了面接触型晶体管，将电子技术推向了一个新的阶段。此后取得的电子技术方面的许多成就，如集成电路、微处理器和微型计算机等，都是从晶体管发展而来的。晶体管出现后在众多技术领域中很快取代了电子管，目前仅在显示器件（例如电视机和计算机的显示器中的显像管、一些电子仪器中的示波管，等等）等不多的场合还在用电真空器件。

1958年，美国得克萨斯仪器公司（Texas Instruments）宣布一种集成振荡器问世，首次把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路。1961年，美国仙童公司（Fairchild Semiconductor Inc.）宣布制成一种集成触发器。从此，集成电路获得了飞速的发展。所谓集成电路，就是把半导体管和电阻、电容等做在同一块硅片上，封装为一个具有多个引出端子的器件，它能够独立地或者与少数其他元件配合起来共同完成某种或某些功能，实现了材料、元件和电路的三合一，与传统的分立元件电路在设计方法、结构形式和生产方式上有着相当大的区别。集成电路的发明开创了集电子器件与某些电子元件于一体的新局面，使传统的电子器件概念发生了变化。这种新型的、封装好的器件体积和功耗都很小，具有独立的电路功能，甚至具有系统的功能。集成电路的发明使电子技术进入了微电子技术时期，是电子技术发展的一次重大飞跃。几十年来，集成电路经历了从小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）到超大规模（VLSI）集成阶段的发展。1993年随着集成了1000万个晶体管的16M FLASH和256M DRAM的研制成功，而进入了极大规模集成电路（USI）时代。而在21世纪初采用0.12μs微细加工技术，1GB（千兆字节）SRAM（静态随机存取存储器）的问世，标志着集成电路已进入巨大规模集成（GSI）这一重要发展阶段。描述集成电路发展速度的摩尔定律认为：集成度每18个月增长一倍，价格则下降为原来的一半。

21世纪人类已进入了网络时代，超高速计算机、移动通信和数字化视听产品将彻底改变电子元器件的结构、特征尺寸和性能。传统意义上的分立元器件将被超微化、片式化、模块化、数字化、多功能化、智能化、绿色化、高频、高速、高可靠性和低功耗的复合器件所取代，这样就要求核心器件——芯片必须具有强大的数据存储和处理能力，现代“蓝牙（Bluetooth）芯片”技术利用在一个芯片上集成这种系统功能，将芯片数量从5个降到1个，集信号处理器、微处理器、电话听筒模拟/数字转换器、扬声器、解码器于一身，完成了由IC（Integrated Circuits）到IS（Information System）的转变。可以说，现代电子技术的核心已经不再是简单的电路集成，而是系统集成（SoC，System on Chip），也即把整个系统制作在一个集成电路芯片上，完整的系统功能可以集成在一起满足系统功能和技术指标的要求。因此，现代电子技术的发展趋势是硬件系统集成技术和系统设计软件技术。

在信息时代，产品以其信息含量的多少和处理信息能力的强弱，决定着其附加值的高低，从而决定它在国际市场分工中的地位。即使是家电的更新换代也都是基于微电子技术的进步。电子装备，包括机械装置，其灵巧程度直接关系到它的高附加值和市场竞争力，这些方面都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度。计算机的发展可以充分说明电子技术的发展与信息产业的关系。计算机从最初的机械手摇式，进而随电子器件的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模及超大规模集成电路4个时代，电子计算机日新月异的发展充分代表了电子技术的水平，没有大规模及超大规模集成电路，计算机不可能迅速普及。同时计算机的发展也大大促进了电子技术的发展。

综上所述，电子技术的发展是以信息业市场（例如电信、广播、电视、计算机）的需求为动力的，而电子技术的发展，信息业设备和技术水平的提高，又反过来促进了信息业市场的扩大，形成良性循环。21世纪是信息时代，信息技术将在信息资源、信息处理和信息传递等方面实现微电子与光电子结合。智能计算与认知、脑科学结合将造就未来新一代电子元器件。作为电子信息产业发展基础的电子元器件产业将面临一场世纪性的变革，依靠技术创新，紧扣时代高科技的脉搏，加快电子元器件行业自身改造和完善，适应并推动我国信息产业的发展，支撑国民经济信息化，是我国电子元器件产业神圣的历史使命，也是在世界电子元器件产业中准确定位，在经济全球化中占有一席之地的唯一途径。

1.2.2 与电子技术相关的研究热点

电子技术本身发展很快，由于它的广泛应用和深刻影响，促进了许多学科的发展，同时也滋生出一些新的交叉研究领域。目前，系统集成芯片技术、微电子机械系统（（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）、真空微电子技术、神经网络芯片和生物芯片，以及基于量子效应的电子器件及量子集成电路等，正在成为人们研究的热点和新的技术发展领域。这里仅就纳米电子技术（Nanoelectronics）、微电子机械技术和生物医学电子学做一简单介绍。

1.纳米电子技术

纳米电子学诞生于20世纪80年代末期，属于当前国际上的科技前沿之一，是纳米技术与信息技术的结合点。纳米技术的研究对象是1～100nm之间的物质构成。这个极其微小的空间，是原子和分子的尺寸范围，也是它们相互作用的空间，物质的很多性能将发生质变。如今，纳米电子技术几乎渗透进了所有的工业部门，该产业创造的价值占据全球的1%，将在国防、通信、安全、信息存储、自动控制、生物医学、航空航天、先进制造等方面起到重要作用。

纳米电子学的研究内容包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。纳米电子技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术通过控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。

2.微电子机械系统

21世纪的前沿技术——微电子机械系统是指运用微制造技术在一块普通的硅片基体上制造出集机械零件、传感器执行元件及电子元件于一体的系统，属于典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学及能源科学等。

可以说，MEMS是集微型传感器、微型执行器，以及信号处理和控制电路、接口电路、通信电路和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术采用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

MEMS几乎给所有产品带来一场革命，它也使得SoC变得现实可行。通过把微电子元件的计算能力和微传感器的感觉能力及微执行元件的控制能力集于一体，微电子机械系统具备了真正的发展细小产品的能力。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件等MEMS产品在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事，以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，如同近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新的影响。

3.生物医学电子学

生物医学电子学是从20世纪50年代起逐步发展和确立起来的一门新兴学科，它综合应用电子学和有关工程技术的理论和方法，从工程科学的角度研究生物、人体的结构和功能，以及功能与结构之间的相互关系，研究内容涉及生命科学、电子技术、计算机技术及信息科学有关的基础理论。实践证明，生物学、医学与电子技术的结合，使得电子技术向生物学和医学的各个领域全面渗透，从而导致生物学和医学发生了一场革命性的变革和飞跃式的发展。

生物医学电子学是生物医学工程学的基础，通过电子学技术在生物和医学领域的应用，使这些领域的研究方式从定性提高到定量，进行生物医学信息的检测处理和分析，探索生命活动的机理、生物医学信息的特征和规律，开发防病治疗等医学应用服务的设备与系统。另外，生物医学研究过程中生物信息的优异特性和规律也给电子学研究者以启示，推动了电子学的发展。

目前生物医学电子学的研究主要集中在生物医学信息检测、生物医学信息处理、生物系统的建模与仿真、场与生物物质的作用、分子和生物分子电子学、计算机支撑环境的建立及生物医学仪器等主要方面。

随着生物医学电子学研究领域不断拓宽，地位日益重要，该学科展示了广阔的发展前景。

以上仅列举了几个当今的研究热点。电子技术目前已成为各种工程技术的核心，在现代工程技术中，只要通过传感器将其他形式的信号转变为电信号，就可以采用电子技术来进行处理。因此，电子技术被广泛应用于各个领域，推动着社会的发展和进步。