信息技术与社会进步-5-1

1第5章微电子技术—方寸之间,感受世界（1）—改变世界的微电子技术第第55章章微电子技术微电子技术——方寸之间方寸之间,,感受世界（感受世界（11））——改变世界的改变世界的微电子技术微电子技术西安交通大学西安交通大学电子与信息工程学院电子与信息工程学院20112011年年1111月月1010日日主讲人：刘纯亮主讲人：刘纯亮主讲人：刘纯亮Email:Email:[e-mail]@mail.xjtu.edu.cn本科生课程本科生课程““信息技术与社会进步信息技术与社会进步””讲义讲义大纲一、18世纪以来的三次工业革命二、电子学发展中的重大发明三、集成电路发展中的摩尔定律四、微电子技术未来发展趋势大大纲纲一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命二、电子学发展中的重大发明二、电子学发展中的重大发明三、三、集成电路发展中的摩尔定律集成电路发展中的摩尔定律四、微电子技术未来发展趋势四、微电子技术未来发展趋势改变世界的微电子技术改变世界的微电子技术一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命第一次工业革命（第一次工业革命（17601760－－18301830））¾¾1818世纪由英国开始，世纪由英国开始，瓦特发明了瓦特发明了蒸汽机蒸汽机，，人人力由机器取代力由机器取代，整个社，整个社会经济、文化和技术发会经济、文化和技术发生了很大的变化。生了很大的变化。¾¾产生了以铁路、轮船、产生了以铁路、轮船、纺织机等为代表的新兴纺织机等为代表的新兴产业。产业。第二次工业革命（第二次工业革命（18701870－－19201920））¾¾发明了发明了内燃机、发电机、电动机内燃机、发电机、电动机等，人类社会开始步入等，人类社会开始步入电气化时代电气化时代。。¾¾产生以汽车、电灯、电话、电器等为代表的新兴产业。产生以汽车、电灯、电话、电器等为代表的新兴产业。1886Benz1886Benz1898Renault1898Renault一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命第三次工业革命（第三次工业革命（19701970－）－）¾¾发明了发明了集成电路集成电路（（IntegratedCircuitIntegratedCircuit，，ICIC），人类开始），人类开始步入步入信息化时代信息化时代。。¾¾产生了以个人电脑、互联网、移动电话等为代表的新兴产生了以个人电脑、互联网、移动电话等为代表的新兴产业。产业。¾¾微电子技术是信息社会的微电子技术是信息社会的基石基石。。一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命20202020年全球前年全球前3030位产业市场预测位产业市场预测170170超薄显示器超薄显示器630630便携式数据通信便携式数据通信165165ICIC卡卡470470个人电脑个人电脑160160地面微波广播地面微波广播380380移动电话服务移动电话服务160160DNADNA生物芯片生物芯片300300CPUCPU155155多用途通信设备多用途通信设备270270数据内容产品数据内容产品150150半导体设备半导体设备250250磁存储磁存储150150电动汽车电动汽车250250电子商务电子商务145145壁挂超薄电视壁挂超薄电视230230网络信息服务网络信息服务140140移动电视移动电视230230高密度磁存储材料高密度磁存储材料140140直喷式汽车直喷式汽车210210系统集成芯片（系统集成芯片（SOCSOC））135135智能交通系统设备智能交通系统设备210210家庭医疗设备家庭医疗设备270270DNADNA加工食品加工食品200200互联网互联网110110燃料电池汽车燃料电池汽车180180代理软件代理软件115115克隆克隆190190智能交通系统智能交通系统120120液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD））200200有线电视（有线电视（CATVCATV））销售额（销售额（1010亿美元）亿美元）市场市场销售额（销售额（1010亿美元）亿美元）市场市场一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命2半导体工业已成为全球高技术经济的基石半导体工业已成为全球高技术经济的基石高技术经济的基石高技术经济的基石消费，医疗，交消费，医疗，交通，安全，航天等通，安全，航天等电信，互联电信，互联网，广播等网，广播等服务服务产品产品半导体产业半导体产业材料与设备材料与设备20072007年，全球经济的年，全球经济的16%16%建立在半导体工业之上。建立在半导体工业之上。一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命大纲一、18世纪以来的三次工业革命二、电子学发展中的重大发明三、集成电路发展中的摩尔定律四、微电子技术未来发展趋势大大纲纲一、一、1818世纪以来的三次工业革命世纪以来的三次工业革命二、电子学发展中的重大发明二、电子学发展中的重大发明三、三、集成电路发展中的摩尔定律集成电路发展中的摩尔定律四、微电子技术未来发展趋势四、微电子技术未来发展趋势改变世界的微电子技术改变世界的微电子技术18971897年年卡尔卡尔··费迪南费迪南··布布劳恩（劳恩（KarlFerdinandBraunKarlFerdinandBraun）发明）发明阴极射线管阴极射线管（（CathodeRayTube,CRTCathodeRayTube,CRT），是世界上第一个利用），是世界上第一个利用电子工作的器件。电子工作的器件。电视机用显像管电视机用显像管二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19041904年年约翰约翰··阿布罗斯阿布罗斯··佛莱明佛莱明（（JohnAmbroseFlemingJohnAmbroseFleming）发）发明明真空真空二极管二极管，，19071907年年李李··德佛瑞斯特德佛瑞斯特（（LeeDeForestLeeDeForest）发明）发明真真空三极管空三极管，是世界上第一种可放大信号的电子器件。，是世界上第一种可放大信号的电子器件。二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19371937年瓦里安兄弟（年瓦里安兄弟（RussellandRussellandSigurdSigurdVarianVarian）研制成功）研制成功速调管速调管（真空微波放大器），（真空微波放大器），19391939年布特（年布特（HenryBootHenryBoot）与兰）与兰特尔（特尔（JohnTRandallJohnTRandall）发明）发明磁控管磁控管（真空微波振荡器），（真空微波振荡器），19431943年康夫纳（年康夫纳（RRKompfnerKompfner）发明）发明行波管行波管（真空微波放大器）。（真空微波放大器）。雷达显示屏幕雷达显示屏幕微波炉微波炉二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19461946年年22月月44日世界上第一台日世界上第一台通用电子计算机通用电子计算机（（ENIACENIAC））研制成功，研制成功，3030吨重，吨重，1746817468个个真空管真空管，，2424米长，米长，66米宽，米宽，2.52.5米米高，每秒运算高，每秒运算50005000次，功耗次，功耗140140千瓦，平均无故障运行时间为千瓦，平均无故障运行时间为77分钟。分钟。二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明319471947年年1212月月2323日第一个晶体管（日第一个晶体管（NPNNPN锗晶体管）诞生锗晶体管）诞生威廉威廉··肖克莱肖克莱约翰约翰··巴丁巴丁沃特沃特··布拉顿布拉顿获得获得19561956年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19571957年年““八精英八精英””在加州创办仙童公司在加州创办仙童公司(FairchildSemiconductor)(FairchildSemiconductor)从左至右从左至右硅谷（硅谷（TheSiliconValleyTheSiliconValley）诞生）诞生8080年代初畅销书年代初畅销书《《硅谷热硅谷热》》中写到：中写到：““硅谷大约硅谷大约7070家半导体公司的半家半导体公司的半数，是仙童公司的直接或间接后裔。数，是仙童公司的直接或间接后裔。””19561956年肖克莱（年肖克莱（ShockleyShockley）在加州创办半导体公司，）在加州创办半导体公司，19571957年年88位精英位精英工程师离开，创办了仙童公司，肖克莱加入斯坦福大学。工程师离开，创办了仙童公司，肖克莱加入斯坦福大学。二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19581958年第一个集成电路诞生（年第一个集成电路诞生（1212个锗晶体管，个锗晶体管，TITI公司公司JJKilbyKilby））二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19601960年年美国贝尔实验室的江大原（美国贝尔实验室的江大原（DawonDawonKahngKahng，韩裔）和马丁，韩裔）和马丁··阿塔拉阿塔拉（（MartinMartinAtallaAtalla）发明了）发明了金属金属--氧化物氧化物--半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管（（MetalMetal--OxideOxide--SemiconductorFieldEffectTransistorSemiconductorFieldEffectTransistor，，MOSFETMOSFET），因其具有制造成本低），因其具有制造成本低廉、使用面积较小、集成度高等独特优势，已成为超大规模集成电路的核心廉、使用面积较小、集成度高等独特优势，已成为超大规模集成电路的核心器件器件。。源极源极栅极栅极漏极漏极19601960年年77月月77日西奥多日西奥多··哈罗德哈罗德··梅曼（梅曼（TheodoreHaroldTheodoreHaroldMaimanMaiman）宣布世）宣布世界上第一台界上第一台红宝石激光器红宝石激光器研制成功，研制成功，19601960年前苏联年前苏联科学家科学家尼古拉尼古拉··巴索夫巴索夫（（NikolaiNikolaiBasovBasov）发明了）发明了半导体激光器半导体激光器。。19611961年中国大陆第一台激光器在中年中国大陆第一台激光器在中科院科院长春长春光机所研制成功。光机所研制成功。第一台红宝石激光器第一台红宝石激光器采用半导体激光器的采用半导体激光器的CDCD播放机播放机二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明19621962年美国通用电气公司年美国通用电气公司的的尼克尼克··何伦亚克何伦亚克（（NickNickHolonyakHolonyakJr.Jr.）开发出实用化可见光）开发出实用化可见光发光二极管发光二极管。。19661966年英籍华人高锟在年英籍华人高锟在““光频率介质纤维表面波导光频率介质纤维表面波导””论文中提出，当石英玻璃纤维论文中提出，当石英玻璃纤维衰减衰减率率下降到每公里下降到每公里2020分贝分贝时，长距离时，长距离光纤通信光纤通信即可成功，从此开即可成功，从此开辟了光通信新时代，获辟了光通信新时代，获20092009年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。。发光二极管（发光二极管（LEDLED））光纤（光纤（OpticFiberOpticFiber））二、二、电子学发展中的重大发明电子学发展中的重大发明419631963年年美国仙童公司的弗朗克美国仙童公司的弗朗克··万拉斯（万拉斯（FrankFrankWanlassWanlass）和萨支唐）和萨支唐（（ChiChi--TangTangSahSah）提出）提出互补金属互补金属--氧化物氧化物--半导体半导体（（ComplementaryMOSComplementaryMOS，，CMOSCMOS）概念，）概念，19681968年年美国无