2.1 电子技术的发展历程

2.1.1 电子管器件

电子技术是从电子管开始的，起源于20世纪初，20世纪30年代达到了鼎盛时期。1904年，英国电气工程师弗莱明制成了在灯泡中装有阴极和屏极的第一只电真空二极管（见图2-1），标志着电子时代的到来。真空二极管可以对交流电进行整流，使交流电变成直流电，亦称检波，即控制电流朝一个方向流动。真空二极管的功能是有限的，还不足以对电子技术的发展产生重大影响，标志着跨入电子技术大门的发明是电真空三极管。

1906年，美国发明家德福·雷斯特（Lee de Forest）在真空二极管的灯丝和极板之间插入一个栅栏式的金属网（栅极），结果发现只要在栅网上加一个微弱的电流，就可以在屏极上得到比栅极大得多的电流，这就是三极管对信号的放大作用。第一只真空三极管如图2-2所示。比起真空二极管，真空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。

在真空电子管的基础上，众多的其他电真空器件也相继诞生，如电视机的显像管、示波器用的阴极射线示波管、摄像机用的真空摄像管等。1925年，苏格兰发明家贝尔德公开展示了他制造的电视机，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。目前显像管、示波管正在被液晶、等离子显示器取代，摄像管已被电耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）所取代。

2.1.2 半导体器件

由于电子管具有体积大、笨重、能耗大、寿命短的缺点，使得人们迫切需要一种新的电子元器件来替代电子管。飞速发展的半导体物理为新时代的到来铺平了道路。20世纪20年代，理论物理学家们建立了量子物理，1928年，德国柏林大学教授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；1939年，肖特基、莫特和达维多夫建立了扩散理论。这些理论上的突破，为半导体的问世提供了理论基础。

半导体是一种介于金属和非金属之间的材料，以锗和硅为代表。1947年12月23日，美国贝尔实验室的巴丁和布拉顿制成了世界上第一个晶体管——点接触型锗晶体三极管（见图2-3），它标志着电子技术从电子管时代进入到晶体管时代。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。由于这一了不起的电子技术成就，肖克利、巴丁和布拉顿三人共同分享了1956年诺贝尔物理学奖。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。

2.1.3 集成电路

1952年，英国雷达研究所著名科学家达默提出，能否将晶体管等元器件不通过连接线而直接集成在一起从而构成一个具有特定功能的电路。之后，美国德克萨斯仪器公司的杰克·基尔比（Jack S.Kilby）按其思路，于1958年9月12日制成了第一个集成电路（Integrated Circuit，IC）的模型。他将一块锗片粘贴在玻璃片上，然后在锗片的两端接上金属导线。只要给导线通电，就能在振荡器的屏幕上看到一条正弦曲线，这证明电路板是通的。1959年，德州仪器公司凭借基尔比的模型宣布发明集成电路，从此，电子技术进入集成电路时代。同年，仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）也想出了集成电路的概念。他还增加了后来的金属层，然后在金属层上进行雕刻，在半导体材料上制作元器件和连接各个元器件的金属导线。正是这一概念让集成电路的大规模生产更加可行。基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学奖章”。他们被公认为集成电路的共同发明者。诺伊斯后来成为英特尔公司的创始人之一。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。与分立元器件的电路相比，集成电路的体积、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，发展速度非常迅速，制作工艺不断进步，规模不断扩大。

1958年，贝尔实验室制造出金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semicon-ductor Field-Effect Transistor，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（Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体）集成电路遵循摩尔（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飞速发展。至今，集成电路的集成度已提高了500万倍，特征尺寸缩小为1/200，单个器件成本下降为1/10⁶。

2000年10月10日，77岁的杰克·基尔比获得诺贝尔物理学奖。这个奖距离他的发明已经42年，但长时间正足以让深远影响充分显现。如果没有基尔比，就没有今天的半导体产业，更不会有我们早就习以为常的数字生活。

2.1.4 21世纪电子新器件

随着对集成电路的集成度要求越来越高，促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。当半导体器件的尺寸减小到纳米级尺度（在0.1～100nm之间）时，其中受限电子会呈现量子力学波动效应，使器件出现用经典力学无法解释的特性。这时，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。纳米技术、纳米电子技术和纳米光电子技术的不断发展，强有力地推动了纳米电子学的迅速发展。

纳米电子学和纳米器件将是微电子器件的下一次革命，纳米电子器件的功能将远远超出人们的预期，它将给人类信息科学技术的发展带来新的变革。目前，全世界的众多科学家正大力开展纳米技术的研究工作，并取得了许多关键性的进展。

20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。1974年，日本科学家谷口纪男（Norio Taniguchi）第一次在学术会议上用纳米技术（Nano-Technology）一词来描述精密机械加工。

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为人们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。

1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用扫描探针显微镜设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母（见图2-5），三个字母加起来还没有3nm长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

1991年，日本物理学家饭岛澄男发现碳纳米管（见图2-6）。自从发现之日起，碳纳米管就成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，碳纳米管将是未来最佳纤维的首选材料，也将广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。

1997年，北京大学成立了纳米科学与技术研究中心。该中心在超高密度信息存储材料、纳米器件的组装和自组装、纳米结构的加工、短单壁碳纳米管的结构和电子学特性研究、纳米尺度的生物研究等方面都取得了可喜的成果，发现了0.33nm级别的单壁碳纳米管。该纳米管是在电子显微镜中高能电子的诱发下，从一根直径为1.5nm的单壁碳纳米管上垂直生长出的直径为0.33nm的单壁碳纳米管（见图2-7）。这个复合的碳纳米管构成了世界上最小的金属半导体——金属纳米结，不但打破中科院研究组创造的0.5nm的世界纪录，而且突破了日本科学家1992年所给出的0.4nm的理论极限。这种纳米电子器件的“倒T形模型”（也称T形结）与纳米点、纳米线构成的“隧道结”可能成为替代微电子PN结的两种纳米电子学的基本结构。

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯（结构见图2-8），从而证实它可以单独存在，两人也以“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，几乎是完全透明的；导热系数高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率比碳纳米管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，是目前世上电阻率最小的材料。这种具有碳原子结构的石墨烯因其卓越的性能终将代替半导体硅，成为纳米电子器件的理想材料。

2008年4月，英国科学家宣布用石墨烯制造出一种只有1个原子厚、10个原子宽的超微型晶体管。2011年，美国IBM公司又制造出了石墨烯集成电路。

我国也正加紧石墨烯材料的研究。目前，由北京大学信息科学技术学院“千人计划”特聘教授徐洪起博士担任首席科学家的国家重大科学研究计划“新型高性能半导体纳米线电子器件和量子器件”项目已经启动，并取得了重大研究进展。