从电子管到集成电路.

从电子管到集成电路2012.11人类与电•1600年英国的医生、物理学家吉尔伯特发现金刚石、水晶、硫磺、火漆和玻璃等物质，用呢绒、毛皮和丝绸摩擦后，能吸引轻小物体--静电。•1752年，本杰明·富兰克林(BenjaminFranklin）进行了一项著名的实验：在雷暴下放风筝，证明‘雷电’是由电力造成。•1785年，法国物理学家库仑确立了电荷之间的作用规律──库仑定律。从此，人们对电现象的研究从定性走上了定量的道路。•18世纪后期，意大利物理学家伏打发明了电池。•1862年，韦伯首次以带电粒子的移动解释电流现象，使“静电”与“动电”的本质统一起来了。（有线）电报的发明莫尔斯（SamuelFinleyBreeseMorse）1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，进行电报发收试验。莫尔斯在预先约定的时间，兴奋地向巴尔的摩发出人类历史上的第一份电报。他的助手很快收到那份只有一句话的电报：“WhathathGodwrought?”（上帝创造了何等的奇迹!--出自圣经）。电话的发明1876年3月10日，贝尔(AlexanderGrahamBell)通过电话呼叫他的助手，‘Mr.Watson，comehere.Iwanttoseeyou.‘这是人类第一句通过电话传送的语音。1877年，也就是贝尔发明电话后的第二年，在相距300公里波士顿和纽约之间架设的第一条电话线路开通。贝尔发明了世界上第一台可用的电话机，创建了贝尔电话公司。也就是美国电报电话公司(AT&T)前身。经历数千次的挫折后，托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas.Alva.Edison)在1879发明了白炽灯。白炽灯的效率较低，它所消耗的电能只有很小的部分(约12％－18％转化为光能)，而其余部分都以热能的形式散失了。尽管如此，人类使用白炽灯泡已100多年之后，才逐步被各种节能灯、LED灯等取代。白炽灯的发明无线电技术的发明•无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。关于谁是无线电台的发明人还存在争议。•在莫尔斯和贝尔先后发明了有线电报和电话之后，很多科学家对电磁现象进行了大量研究。•直到1831年英国物理学家法拉第（MichaelFaraday）首先发现了电磁感应现象。•英国科学家麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）从1850年就开始对法拉第提出的课题展开研究，用数学方法对法拉弟的电磁场思想做了严格的论证，并在1864年做出“电与磁的交替转化过程，是一种波的传播形式，是一种光波”的论断，他称这种波为电磁波。•1887年，德国伟大的物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。赫兹的实验成果震惊了世界，许多科学家继续开展对电磁波的研究。•1893年，尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信的基本原理。•1895年，意大利电气工程师和发明家马可尼(GuglielmoMarcheseMarconi)利用电磁波理论发明了无线电报，并成功地迸行了约3公里的无线电报通信。•几乎与马可尼同时，俄罗斯军官波波夫也研制成功了一台无线电收发报机。•于1901年12月，马可尼在相距3000多公里的英国与加拿大纽芬兰之间实现横过大西洋的无线电通讯，使无线电达到实用阶段。•马可尼被称为无线电通讯奠基人。•无线电经历了从电子管到晶体管，再到集成电路，从短波到超短波，再到微波，从模拟方式到数字方式，从固定使用到移动使用等各个发展阶段，无线电技术已成为现代信息社会的重要支柱。电子管的发明•1904年，英国电气工程师费莱铭利用“爱迪生效应”，发明了人类历史上第一只电子管--真空二极管。二极管具有整流作用。•1906年初，美国的德福勒斯特(Deforest)在真空二极管的阴极与阳极之间封接了第三个电极—栅极，于是诞生了第一个能放大电信号的电子器件--真空三极管。电子管(尤其是真空三极管)的发明和应用拉开了现代电子学的序幕，在电子技术史上具有划时代的意义，为通讯、广播、电视、计算机等技术的发展奠定了基础。•电子管是过去100年改变世界的重大发明之一，电子管为我们开启进入了电子时代的大门。•Electrical--〉Electronic收音机的发明二十世纪初，人们在发明了传送电码信息的无线电报之后，又发明了传送话音的无线电话。继而人们想到：无线电既然能够传送话音，那么它也就能够传送音乐；而且无线电信号是可以被多人同时接收。1906年，美国的费森登教授在一次无线电通信实验时，在世界上首次用调制的无线电波发送音乐和讲话，附近的许多无线电通信电台接收到了费森登教授的信号。但是，普通公众是不可能都拥有无线电台的。要真正实现无线电广播，就要有一种普通公众都能拥有的、专门用于收听声音信号的无线电接收机，即收音机。1910年，邓伍迪和皮卡尔德等简单的矿石晶体接收机，利用方铝矿石的检波作用，将其与几种简单的元件相连接，就可以接收到无线电台放送的广播节目。1913年，美国无线电工程师阿姆斯特朗发明了超外差电路。1924年，超外差式收音机首次投入市场。今天世界上99％的无线电收音机、电视、卫星地面站等都是利用超外差电路来进行工作的。1924年阿姆斯特朗又发明了调频收音机。电视机的诞生无线电技术广泛运用于通讯和广播使得人类可以将声音传送到很远的地方。人们还希望有一种能设备能够将“现场实况”传播到遥远的地方--Television。世界上许多科学家都在着手研究。1906年，18岁的英国青年贝尔德（JohnLogieBaird）雄心勃勃，开始研究电视机。经过18年夜以继日的努力，他终于看到了胜利的曙光。1924年春天，他把一朵“十字花”发射到3米远的屏幕上，虽然图像忽隐忽现、十分不稳定，但是，它却是世界上第一套电视发射机和接收器。1925年10月2日，贝尔德的实验有了突破，他将一个人的图像发射到了屏幕上，而且十分逼真，眼睛、嘴巴甚至眉毛和头发都清晰可见。一架有实用意义的电视机宣告诞生了。1941年，贝尔德又研究成功了彩色电视机，英国广播公司1946年6月第一次播送彩色电视节目。而现在的CPU可以达到每秒几十亿次运算的速度。第一台电子计算机的诞生1946年世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorsandCalculation）在美国宾夕法尼亚大学诞生，由将近18000多个电子管组成，占地167平方米，重达30吨，占地几乎有半个篮球场大小每秒能计算5000次加法。晶体管的发明•1946年美国贝尔实验室开始半导体的研究，1947年12月，肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的发明打下了基础。•考虑到这种器件的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resistor(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。•晶体管是20世纪的最伟大的发明之一，拉开了微电子(Microelectronic)技术的序幕，对人类社会的许多领域产生了深远的影响。发明晶体管的三位科学家也因此被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。•1950年，第一只“PN结型晶体管”问世。•晶体管的出现，使电子通信设备的小型化和低功耗（电池供电）得以实现。早时期的收音机和电视机使用的是电子管，大多都体积大、耗电多和笨重。直到晶体管的出现，收音机的小型化才得以实现。1955年，首批晶体管收音机（也称为半导体收音机，便携式收音机）几乎同时在美国和日本问世。1960年，索尼公司研制了世界上第一台晶体管电视机。固态电子学(Solidstateelectronic)集成电路的发明（IntegratedCircuits—IC）•1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，这样就为发明集成电路提供了工艺技术基础。•1958年9月，美国德州仪器公司的青年工程师杰克·基尔比（JackKilby），成功地将包括锗晶体管在内的五个元器件集成在一起，基于锗材料制作了一个叫做相移振荡器的简易集成电路，这是世界上第一块锗集成电路。•2000年基尔比因为发明集成电路而获得当年的诺贝尔物理学奖。这份殊荣，经过四十二年的检验显得愈发珍贵，更是整个人类对基尔比伟大发明的充分认可。诺贝尔奖评审委员会的评价很简单：“为现代信息技术奠定了基础”。•1959年7月，美国仙童半导体公司(FairChild)的诺伊斯(RobertNoyce)，研究出一种利用二氧化硅屏蔽的扩散技术和PN结隔离技术，基于硅平面工艺发明了世界上第一块硅集成电路。•基尔比和诺伊斯几乎在同一时间分别发明了集成电路，两人均被认为是集成电路的发明者，而诺伊斯发明的硅集成电路更适于商业化生产，使集成电路从此进入商业规模化生产阶段。•罗伯特诺伊斯参与创办了两家硅谷最伟大的公司：一个是曾经有半导体行业“黄埔军校”之称的-仙童(Fairchild)公司，一个是当今世界上最大设计和生产半导体的科技巨擎英特尔(Intel)公司。•集成电路的发明开拓了电子器件微型化的新纪元，引领人们走进信息社会。它的诞生使微处理器的出现成为了可能，也使计算机走进人们生产、生活的各个领域，成为人们工作、学习、娱乐不可或缺的工具，而在计算机诞生之初，它却是个只能存在于实验室的庞然大物。LogicGate-逻辑门数字集成电路的基本单元是逻辑门。TTL与CMOS•在集成电路走过的精彩辉煌的50年里，CMOS技术为低功耗集成电路打下了基础，并成为当今主流集成电路的关键生产技术。CMOS的低功耗特性为实现微处理器(CPU)、大容量存储器等高速超大规模集成电路(VLIC)创造了有利条件,如果没有CMOS工艺，就没有今天的IC制造业。•CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互补金属氧化物半导体。构成CMOS电路的基本器件是了MOSFET（金属—氧化物—半导体场效应晶体管——Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor)。把n沟道MOS和p沟道MOS连接成互补结构，两种极性的MOSFET组成CMOS。由于场效应管(FET)的输入阻抗极高，导通电阻很小，因此工作电流很小，与先前的TTL集成电路相比CMOS的功耗大大降低。集成电路的封装表面贴片技术（SurfacedMountedTechnology）BGA封装多层电路板模拟集成电路-运算放大器（OperationalAmplifier）•1963年Fairchild公司的BobWedlar设计出世界上第一款单片集成运算放大器。•运放可以对电信号进行运算，具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗等优点。ASIC--ApplicationSpecificIntegratedCircuit(专用集成电路)ASIC分为全定制和半定制两种。可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice—PLD)属于半定制IC。常用的PLD有两种：CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程逻辑门阵列)。CPLD•早期的PLD主要有PAL(ProgrammableArrayLogic，可编程逻辑阵列)和GAL(GenericArrayLogic，通用逻辑阵列)两种，开始于20世纪70年代。GAL是由LatticeSemiconductor公司发明，GAL的特性与PAL相同，但PAL只能烧写一次，而GAL则是可以反复烧写。•CPLD(ProgrammableArrayLogic，复杂型可编程逻辑阵列)，开始于20世纪80年代。一颗CPLD就相当于包含了几颗PAL，CPLD将内部的PAL整合，使得可以实现几千门甚至几万门的电路。CPLD可以反复烧写。FPGA--现场可编程逻辑门阵列•1984年Xilinx公司发明了一种半定制的集成电路，Field-ProgrammableGateArray-FPGA，现