关键词：电子管 晶体管 半导体 集成电路
中图分类号：TN11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0238-02
1 电子管的诞生
1883年美国发明家爱迪生在进行提高电灯灯丝寿命的实验时在灯丝附近安放了一根金属丝，然后他意外地发现通电加热的灯丝和这根金属丝之间竟然出现了微弱的电流。通过进一步的实验，爱迪生发现当金属丝对灯丝的电压为正时有电流通过，而当电压为负时则没有电流。这种现象就是“爱迪生效应”，它成为后来发明电子管的基础。1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（J.JThomson，1856—1940）通过对阴极射线的研究，证明了从炽热灯丝会发射出一种带负电的粒子流，这就是电子。由于电子的发现，人们终于明白“爱迪生效应”就是真空中的热电子发射现象。
1889年英国工程师弗莱明（J.A.Fleming，1849—1945）在当时迅速兴起的电子学的基础上，开始对爱迪生效应进行了深入研究，终于在1904年发明了第一种电子元件：一种可用作电磁波检波器的二极电子管。二极管发明之后，美国无线电工程师德·福雷斯特（L.de Forest，1873—1961）即对弗莱明的发明进行了深入研究。为了改进二极管的性能，福雷斯特于1906年进行了在二极管的负极加入一个电极的实验。实验结果发现，在正极负极之间加入一个金属丝支撑的栅极时，其检波效果最佳，不久还发现三极管对电流有放大作用。
二极电子管和三极电子管的发明奠定了电子元件的主要技术基础，是具有划时代意义的技术发明。由于电子元件技术的带动，另一电子基础技术—— 电子线路也得以迅速发展，两者一并为后来的广播、电视、雷达等电子应用技术的兴起提供了技术基础。虽然电子管作为20世纪前半期电子技术的基础，写下了光辉的一页，但它也暴露出一些弱点，主要是体积大、重量重、耗电多、寿命短、需预热等，这同电子设备的发展要求提供体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、起动迅速的元器件，形成了尖锐的矛盾。这就迫使人们去寻求新的性能更优异的电子器件。
2 半导体物理学的兴起
半导体物理学是凝聚态物理学的主要分支之一，在第二次世界大战之后得到了迅猛发展。它的兴起与30年代中后期相关技术背景和相关科学基础的形成有直接的内在联系。
在技术背景方面，到30年代中后期的时候，以热机技术和电力技术为主要技术标志的第二次工业革命在德、美、英等国家已基本完成。以电子管为主要技术基础的电子技术经过从20世纪初到30年代中后期的发展，其技术已经基本成熟，其技术局限也日趋明显。
在科学基础方面，布洛赫提出的能带理论为半导体物理学的发展提供了重要的理论基础。所谓能带理论，是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成，原子又包括原子实和最外层电子，它们均处于不断的运动状态。为使问题简化，首先假定固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。到1931年英国物理学家威尔逊提出区分绝缘体、半导体和导体的微观理论判据之后，半导体物理学已经开始呈现向半导体技术初步转化的态势。
晶体管的出现
由于半导体物理学的兴起以及电子管本身材料与技术的局限性，美国贝尔实验室研究部电子管分部主任、固体物理学家凯利（M.Kelly）敏锐地察觉到电子技术可能正面临着一场大革命。1939年，凯利组建了以肖克利（W.Shockley）、巴丁（J.Bardeen）、布拉顿（W.H.Brattain）和伍德里奇（D.E.Woodridge）等人为主要成员的半导体学物理小组。这是一个年富力强，既有深厚的固体物理理论素养，又有丰富的实验技术经验的科研集体。他们的目标是：探索半导体的导电机制，研制能消除电子管缺陷并具有放大功能的新型电子器件。
1947年12月，研究小组发现金属与半导体表面形成的两个充分靠近点接触的结，存在着相互作用。巴丁和布拉顿根据这个效应重新制订了方案，12月23日终于研制出世界上第一支晶体三极管，它是用半导体锗制成的点接触型晶体管。1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人由于晶体管的发明和半导体物理学的杰出贡献，共同获得了诺贝尔物理学奖。
3 P-N结理论
肖克利及其小组成员在研制第一代晶体管的同时，在固体物理学已有的电子理论、量子理论和能带理论的基础上，对半导体物理的导电性进行了深入研究。1949到1950年间，他们提出了以半导体电子理论为基本内容的P-N结理论。P-N结理论主要有三个方面。
其一，半导体有N型半导体和P型半导体两种不同的类型。N型半导体参与导电的主要是带负电（negative）的电子。这些电子来自于半导体中的施主，如含有适量的五价元素砷、磷、锑的锗或硅，即是这种N型半导体。P型半导体参与导电的主要是带正电（positive）的空穴。这些空穴来自半导体中的受主，如含有适量的三价元素硼、铟、镓的锗或硅，即是这种P型半导体。
其二，N型半导体和P型半导体的交界层能形成P-N结。由于P-N结具有单向导电性，因此以P-N结为基础的二极管对电流具有整流作用。
其三，以P-N结为基础，可以形成PNP或NPN两种类型的组合P-N结。由于组合P-N结具有三极，因此以它为基础的三极管与电子三极管一样，对电流具有放大效应。
4 晶体管的大规模生产
在肖克利及其小组成员提出P-N结理论之后，肖克利根据对晶体管工作机理的分析，又提出了PNP和NPN结型晶体管的理论。1950年贝尔电话实验室的斯帕克斯（M.Sparks）等人研制出了这种结型晶体管（或称面触型晶体管）。它同点接触型晶体管相比，结构简单、牢固可靠、噪声小、宜于大批量生产。
晶体管的大规模生产除了自身技术硬件指标达标外，原材料的数量和质量的供应以及产品的生产工艺也是决定晶体管能否大量生产的重要因素。1952年，范（W.G.Pfann）发明了生产高纯度锗的区域提纯熔炼工艺；1954年蒂尔（G.KTeal）和比勒（E.Buehler）改进了拉制单晶硅的工艺；同年，富勒（C.S.Fuller）研究出了一种新的掺杂方法—— 扩散工艺。他们均来自贝尔实验室。1959年，仙童公司的霍尔尼（J.A.Hoerni）发明了平面工艺，并制出了第一个平面型晶体管。这些成果为晶体管的大规模生产和半导体工业的发展创造了条件，尤其是扩散工艺和平面工艺，不但将晶体管的工作频率推到了超短波波段，而且使晶体管的管芯结构图形达到前所未有的精密和微小程度，从而为晶体管的微小型化开辟了道路。
5 集成电路
晶体管可以大规模生产以后，其体积小、重量轻、能耗少、寿命长、可靠性高、不需预热、电源电压低等一系列优点使它全面取代了电子管。但是，晶体管取代电子管，还只是一个器件代替一个器件。对于大型电子设备，有时要用到上百万个晶体管，这就要几百万个结点，这些结点就成了出现故障的渊源；同时，生产部门和军事部门希望电子设备进一步微小型化，这都强烈地推动人们去开辟发展电子技术的新途径。
20世纪50年代，用硅取代锗作晶体管材料，以及制作晶体管的扩散工艺、平面工艺等，都相继研究成功，这就为集成电路的研制提供了技术基础，而掌握这些技术的美国德克萨斯仪器公司、仙童公司也就具备了更有利的条件。1959年初，美国德克萨斯公司的工程师基尔比（J.Kiby）利用扩散工艺，很快就在一块1.6×9.5平方毫米的半导体材料上，制成了包括1个台面晶体管、一个电容和3个电阻的移向振荡器，从而研制成功了第一块集成电路。与此同时，美国仙童公司的经理诺伊斯（R.N.Noyce）运用平面工艺制成了更专业化，更适合于工业生产的集成电路。1961年，集成电路即在美国实现了商品化生产。
同半导体分立电路相比，半导体集成电路具有容量大、体积小、组装快等优点。因此集成电路自问世以后，其发展速度可谓突飞猛进。自1961年以后的短短20余年内，集成电路的集成度便由最初的100个元器件以内发展到10万～100万个元器件之内。
6 电子技术发展的内在逻辑
从电子管到集成电路，短短60余年间，电子技术就从电力技术的附属产物蜕变成整个社会的主流技术。爱迪生发现了“爱迪生效应”，但他却不能对这个现象做出完满的解释，于是便吸引着其他的科学家来解决问题，逐渐形成科学共同体。一项新技术其诞生必然源于自然现象，其发展必然会形成科学共同体。汤姆生发现电子，解释了“爱迪生效应”为电子技术的起步打下了理论基础。弗莱明发明了真空二极管、德弗雷斯特发明了真空三极管，他们成功的将理论转化为技术产品，其中的转化必然有现实需求的牵引。当电子管的元件缺陷与电子技术高速发展形成尖锐矛盾时，半导体物理学理论开始蓬勃发展起来，而半导体物理学的蓬勃发展又离不开电子技术这个载体。半导体物理学理论的发展促使晶体管的诞生，而P-N结理论则是研制晶体管的理论衍生物，又反过来促进了半导体物理学的发展。而从晶体管发展到集成电路，则是纯技术工艺上的进步。
纵观整个电子技术从“爱迪生效应”发展到集成电路，其科学技术轨迹可以大致概括为：发现现象探究现象形成理论衍生技术升华理论技术飞跃技术完善技术成熟。
另一值得注意的现象在电子技术的发展进程中，大部分的研究人员都是默默无名却又充满干劲的年富力强的青壮派科学家。如，参与研发出第一支晶体三极管并发表了P-N结理论的肖克利、巴丁和布拉顿三人在1956年获得诺贝尔奖时也才不到50岁。我认为导致这种现象的主要原因有三点：其一，电子技术的科学吸引力强。电子技术对于当时的学术界来说是非常前沿的，也充满了科学的神秘性，这种特性对那些刚毕业的青年才俊来说既能满足自己的好奇心，又能做比较时髦的研究，那是再好不过了。其二，电子技术相较其它领域容易出成果。电子技术是一门新兴的技术领域，探索的空间较其它传统领域更为宽阔，也更容易出成果，作为默默无名的青年科学家，自然想更快的成就一番事业。其三，电子技术的社会需求量大。由于当时的电力技术已经非常成熟，人们用电已经得到普及，相应电子产品的需求量也是极大，如收音机、电视等家用电子产品。广阔的市场需求使得资本家们将大量的资金注入电子行业以谋求更高的回报。毫无疑问高额的薪水和奖金对于急需金钱的年轻人来说是颇具吸引力的。
参考文献
[1]＼高达声.汪广仁.近现代技术史简编[M].北京：中国科学技术出版社，1994.
关键词 电子技术 发展过程 智能化
中图分类号：TN07 文献标识码：A
电子技术是依据电子学的基本原理，利用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，其中包括电力电子技术和信息电子技术两大分支。电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术；包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分，是以电力为处理对象并集电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的综合性学科。信息电子技术包括模拟电子技术和数字电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波和转换。
电子技术研究的是电子器件及其电子器件构成的电路的应用。半导体器件是构成各种分立、集成电子电路最基本的元器件。随着电子技术的飞速发展，各种新型半导体器件也层出不穷。现代电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。其发展先后经历了电子整流时期、电子逆变时期和变频时期，在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。
1电子整流时期
20世纪50年代中期到70年代末期，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。其发展起始于硅整流器件，先后经历了电子整流时期、电子逆变时期和变频时期，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。期间主要是大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用。1948年晶体管的出现引发了电子工业革命，半导体器件开始应用于通信领域，1957年，晶闸管的诞生扩展了半导体器件功率控制范围，属于第一代电力电子器件。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，当地办硅整流器厂逐渐增多，大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，其中电解、牵引和直流传动是以直流形式消费。
2电子逆变时期
70年代末以来，出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0～100Hz的交流电。例如日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压。在这个时期主要有两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用，今后还将继续发展；其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。其中除普通晶闸管向更大容量（6500伏、3500安）发展外，门极可关断晶闸管（GTO）电压已达4500伏，电流已达 2500～3000安；双极型晶体管也向着更大容量发展。
3电子变频时期
80年代中后期功率MOSFET和绝缘栅极双极晶体管（IGBT）的问世，电力电子技术开始向高频化发展，高压、高频和大电流的功率半导体复合器件为第三代电器元件的大规模集成电路技术迅速发展，他们的性能更进一步得到了完善，具有小、轻和高效节能的特点。其工业产品最高电压达1400伏，最大电流达400安，工作频率比晶闸管高得多，采用达林顿结构时电流增益可达75～200。 随着光纤技术的发展，美国和日本于1981～1982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管（power MOSFET）和功率静电感应晶体管（SIT）已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）也正在兴起，容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展。进入90年代电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。据统计，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
电子技术的创新与电子器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地，各发达国家均在这一领域注入极大的人力、物力和财力，使之进入高科技行业。随着电子技术的发展，电子技术在军事方面的应用越来越广泛，未来的军事电子技术所涉及的技术包含信息的处理、采集、合成、操作、传输、模拟和保密，它们是现在军事技术的核心。
参考文献
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关键词：光子晶体 专利 分析
中图分类号：TN252 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）010-169-02
1 引言
光子晶体由E.Yablonovitch在1987年发现，是一种能够有效控制和操纵光波的产生和传播的人工或天然材料，其折射率或介电常数周期分布具有能隙。利用光子晶体可以制造出全新原理或传统技术不能制造的高性能有源和无源器件，我国、欧美、日本等国家、地区均投入巨大的人力物力进行研究。为了给相关科研人员和专利申请工作提供参考，本文以CNIPR专利信息服务平台为专利数据来源，主要从专利申请数量、申请人、发明人、器件分类等几个方面对光子晶体专利技术进行了深入分析。
2 申请量年份分布
在2000年之前，光子晶体专利申请量处于较低水平，这时的光子晶体研究仍然处于理论探索阶段，科研人员的研究成果多发表在专业期刊上。在2000年左右，光子晶体的一些重要的原理和加工制造技术被突破，随后，大量的光子晶体器件被发明，从而光子晶体器件有了工业应用的技术前景，光子晶体专利数量井喷式增加，2005年申请量达到峰值。虽然2006年的申请量明显下降，但2006至2010年之间的申请量仍然维持在较高水平，体现了技术发展的从高峰到平台期的一般规律。由于微电子制造工艺水平难以得到本质上的提高，所以光子晶体器件的性能始终与理论预期存在差距，同时昂贵的制造成本也使得光子晶体器件在工业上的应用变得扑朔迷离，因此2010年后，光子晶体专利申请量明显下降。
3 主要申请人的申请量
主要申请人的申请量如图1所示。从图中可以看出，光子晶体专利主要的申请人包括京都大学、中国科学院半导体研究所、日本电话电报公司、三菱电缆、佳能、中国科学院化学研究所、三星电子和住友电子，形成了中日韩三国竞争的局面。日本京都大学的申请量世界第一，其它日本著名企业的申请量整体优势明显，体现了日本在光子晶体专利申请中的产学研优势，这与日本在新技术、新材料领域的高投入有着密不可分的关系。中国科学院半导体研究所是中国光子晶体研究的桥头堡，拥有国内领先的人才、设备优势，在学术带头人郑婉华、许兴胜的带领下，以半导体集成技术工程研究中心为依托，在光子晶体领域研究取得了丰硕的成果，光子晶体专利申请量进入世界三甲。中国科学院化学研究所则是国内顶尖的科研院所，光子晶体研究实力雄厚，在光子晶体领域同样拥有大量的专利申请。
4 主要发明人申请量
主要发明人的申请量如图2所示。日本京度大学的NODA实验室是世界著名的光子晶体研究机构，NODA教授是世界上光子晶体领域的著名科学家，几乎每年都有重要的研究成果发表在Nature、Science上，ASANO是NODA团队中的重要一员。TANAKA MASATOSHI是三菱电缆的研究人员，KUBOTA HIROKAZU和KAWANISHI SATOKI是NTT研究人员，均是光子晶体领域的重要科学家。宋延林是中国科学院化学所新材料实验室的学术带头人，王京霞是其团队成员，宋延林及其团队在聚合物光子晶体方面取得了丰硕的成果，处于国内领先地位。郑婉华是中国科学院半导体所的研究员，主要从事光子晶体激光器的研究。可以看出，中国科学家的专利申请量已经排在世界前列，中国在聚合物光子晶体和光子晶体激光器领域已经取得大量成果。
5 主要器件申请量
光子晶体器件专利申请主要包括光子晶体光纤、波导、激光器、LED、微腔、开关、传感器和滤波器。其中光子晶体光纤的申请量最大，美日欧均有成熟的产品供应，丹麦NKT Photonic是世界领先的光子晶体光纤的开发商和供应商，近年，武汉烽火通信科技股份有限公司牵头承担的光子晶体光纤国家“863”通过了验收。光子晶体LED可以显著提高出光效率，韩国高等科学技术研究院Y. H. Lee研究组报导的二维空气孔光子晶体LED，出光效率可以提高13倍。Luminus Devices是第一个销售光子晶体LED的公司。
日本NTT的基础研究实验室研制成的光子晶体微腔Q值突破了100万，基于这种振动器，NTT已经开发出转换时间为100ps的超高速光开关。自1999年加州理工学院Axel Scherer研究组第一次报道光子晶体激光器激射以来，各种结构、材料的光子晶体激光器被研制出来，包括微腔缺陷模激光器、垂直腔面发射激光器、波导激光器、带边（分布反馈）激光器、FP腔激光器、量子级联激光器、量子点激光器等。光子晶体传感器有着普通传感器难以企及灵敏度，光子晶体滤波器具有更加精确的滤波特性、更好的波长选择能力。
6 各国申请量年份分布
在2003年以前，中国专利的申请量低于美国、日本和WO的申请量，国内光子晶体的研究处于起步阶段，2003年后，随着国家支持的加强和科研人员的重视，国内光子晶体研究迅速打开了局面，创新性成果大量涌现，专利申请量迅速增加。与此同时，美日欧的专利申请量呈逐渐下降的态势，伴随着2008年金融危机的爆发，美日欧国家普遍减少了科研投入，中国则在金融危机中保持了相对的稳定，光子晶体研究仍然不断加温，2011年的专利申请量达到顶峰，同期世界各国的申请量已微不足道，中国已将远远将世界各国甩在身后，世界光子晶体的创新研究已经转移到中国。
7 总结与建议
经过国内外科学家的艰苦努力，光子晶体理论和器件的设计原理已经较为完善，但仍然需要克服光子晶体制造方面的挑战，比如制造工作在可见光波段具有完全带隙的三维光子晶体，在三维光子晶体中引入缺陷，和亚纳米量级的制造精度。虽然国内光子晶体研究已经取得了长足的进步，专利申请量已遥遥领先世界各国，但是我们应当清醒地看到自身的问题和未来技术发展的前景，笔者提出以下两点建议：
（1）认清技术发展的潮流，勇于站到技术的最前沿，不要一味地做跟随研究。国内科研人员仍缺乏足够的自信和勇气，倾向于选择国外研究热点作为研究方向。在中国国力和科研实力不断增强的今天，科研投入已处于前列，我们完全可以做别人没做的领域。
（2）进一步加强专利意识。尽管国内光子晶体的专利申请量已经很大，但是国内科研人员仍然习惯性地发表文章而不申请专利。虽然理论计算和实验性的制作是光子晶体研究的主流，但是理论计算和实验性制作往往包含了创新性的技术方案，在几十年后可能产生巨大的经济效益，应当今早寻求专利保护，以应对将来可能存在的专利纠纷。
参考文献：
据美国媒体报道,电脑有了新型晶体管,同时计算机晶体管技术又向微观世界跃进了一步。科学家发明了一种可用来模仿人类大脑神经元结构的新型晶体管(NOMFET),最终目的是研制出可像人类那样能思考的计算机系统。此种新型晶体管是目前首个可模仿大脑细胞(或称神经元)之间实行交互作用的关键过程的电子设备。
越做越小的晶体管
法国电子学、微电子学及纳米技术研究所研究人员多米尼克•维尧姆说,科学家的目标是研制出纳米级别电路,以制造出能模拟人类大脑神经元的新型电脑。它能胜任传统电脑所不能的工作,如图像的处理及识别等。
突触晶体管模仿的是神经元之间的细微桥梁突触――它是大脑的关键组成部分。神经元产生一小股电脉冲,并将神经传递素这种化学物质释放到突触内。神经传递素在突触之间活动,从而引发相连神经元之间的交互反应。电脉冲的频率决定了神经元所发出的化学信号的强弱。大多数情况下,对神经元的不断刺激会引发强烈的反应,但对某些神经元不断刺激反而会抑制它们的反应。神经元具有的这种适应性被称为短期神经可塑性。
以前的仿大脑神经网络需要7个晶体管才能模拟出这种短期神经可塑性。新型晶体管产生以后,模拟短期神经可塑性则只需一个晶体管就行。晶体管越小适应性越好,这很重要,因为能降低人工突触的造价及制造难度,同时也就能大大提高人工突触的数量。
维尧姆的小组研制出的新型晶体管能模拟具有短期神经可塑性的人类神经元,从而产生或强或弱的电流输出,相对传统的晶体管无疑更具可塑性。
推动计算机晶体管技术前进的还有著名材料科学家弗朗西斯•罗斯。IBM的这位研究员正培育一大堆蘑菇形状的硅纳米线,此线有望成为制造新型电子产品的基础材料。纳米线是一种有前途发展的材料。它也是材料科学转型的范例之一,科学家正在努力制造出比目前的晶体管体积更小、速度更快、能力更强的新一代电子开关器件。
晶体管
到底能做多小
晶体管是由电源控制的一种开关装置。这个开关装置处于接通状态时,代表着1;它关闭时,代表着0。这种0和1是计算机最基本的语言。50多年来,在摩尔定律的引领下,晶体管变得越来越小、越来越便宜。
困扰研究人员的问题是现在晶体管小型化已达到物理极限。现代的晶体管以数十亿的数量级别被应用于制造微型处理器和存储器芯片。这些晶体管构建在一个硅片的表面上,采用的制造工艺首先要把材料精密地堆起来,然后精确地蚀刻出各种不同的绝缘材料、导体材料及半导体材料。这种工艺的精确度非常高,已接近具备排列单个原子的能力。
如今,一个高端的英特尔CPU由十几亿个晶体管构成,每个晶体管每秒钟可接通或断开约3000亿次,且排列得非常紧密。现在芯片生产工艺还在不断进步,比如微型处理器芯片采用的晶体管最小尺寸正在由45纳米升级到32纳米。然而,这种技术升级方式很难持续下去。几年来很多计算机科学家警示,日益增加的技术难题要解决。不过,科学家仍在不断努力。
IBM公司首席芯片设计师布拉德•麦克雷迪说:“研究人员和业务主管称晶体管尺寸微缩技术可继续一段时间。英特尔公司也认为,通过把更加先进的照相平版印刷技术与新型材料相结合,改变晶体管的设计,可使晶体管尺寸最小压缩到5纳米。今后10年可有效推进芯片产业发展。”
英特尔公司副总裁、电子原件研究负责人迈克尔•梅伯里说:“硅材料晶体管的使用期很可能比我们预想的更长”。
关键词：液晶科学；液晶显示；液晶产业；人才培养
中图分类号：TN391 文献标识码：A
环顾当今社会的普通大众，人手一款液晶屏时髦手机，越来越多的人在用液晶屏笔记本电脑，越来越多的家庭摆着大屏幕液晶电视，看到液晶把世界显示得如此缤纷多彩，从事液晶科学和液晶显示相关工作的人们，真的是不能不感慨啦。
1液晶科学的发展
20多年前，当液晶显示器随着袖珍计算器、电子表等小电器从日本进口走入中国百姓的生活时，有好奇心的中国人就一定会想搞清楚是什么东西在显示，能变黑，又能变灰，既小巧，又省电，真的好神奇。当然在20多年前，了解液晶知识的人很少。现在可大不一样，懂液晶的人多得很，有许多液晶显示方面的读物可看，有上网点击就能找到答案的方便条件。
液晶的历史故事告诉我们，1854年R. C. Virchow发现了某种广义的溶致液晶――髓磷脂，溶致液晶的典型实例是肥皂水，生物膜组织，实例的髓磷脂在今天可以在卵磷脂蛋白和水的溶液中见到。1888年，热致液晶由奥地利植物学家F. Reinitzer在加热苯酸脂晶体时发现，当温度升至145.5℃时晶体融化成为乳白色粘稠的液体，再次继续加热到178.5℃，乳白色粘稠液体变成完全透明的液体，这个乳白相就是现在的热致液晶。同时，Reinitzer在冷却透明液体时，在透明态转变点之下观察到了清晰的紫色、桔红色、绿色，这就是蓝相。同期德国有一位结晶光学创始人，物理学家O. Lehmann，他给自己的显微镜安装了热台，后来又给热台显微镜增加了偏光起偏检偏。Reinitzer把样品送到Lehmann处请他检验，Lehmann确认样品呈现光学各向异性，兼有液体流动性和晶体光学各向异性，命名为液晶。F. Reinitzer和O. Lehmann发现了热致液晶，开创了液晶科学研究的新纪元。1920年代合成出300多种液晶，有人已经指出液晶是棒状分子，一般是几个纳米长，零点几个纳米粗的长棒状。
1930年代，法国人G. Friedel完成了历史上最重要的研究成果之一的液晶分类，即液晶又有近晶相、向列相和胆甾相之分。液晶理论方面，G. W. Oseen和H. Zocher等创立连续体理论，此理论最后在1958年由英国人F. C. Frank完成。Ericksen和Leslie提出液晶动力学和粘滞理论。1930年代重大成果之一是发现磁场（或电场）的作用引起向列相液晶的变形的V. Freedericksz转变；今天广泛使用的摩擦法来制作单畴液晶和研究光学各向异性，早在1917年就由Manguin发明了；液晶的X射线分析和磁各向异性研究是1940年代苏联W. Tsvetkov首创的。最先进行液晶应用研究的据说是J. F. Dreyer所做的光偏振面旋转，但是更具体的研究是1965年J. L. Fergason的胆甾相液晶光选择布拉格反射说明以及对热图测温法的应用。1960年代，1963年Williams发现了第一个液晶电光效应――Williams畴；1968年，美国RCA公司向世界报告：公司的博士研究生G. H. Heilmeir等人提出并发明了液晶显示技术。
液晶把世界显示得缤纷多彩，从事液晶研究的科学家们誉满全球。O. Lehmann因发现液晶而多次获得诺贝尔奖；法国的P. G. de Gennes由于在液晶方面的一系列理论贡献而获得1991年诺贝尔物理学奖；英国的Gray因为在联苯类液晶材料和近晶相液晶合成方面的成就而获得1995年京都奖；美国的Kwolek因发明了液晶高分子超强纤维而获得1996年美国化学工程学会奖；英国的Warner和德国的Finkelmann由于在液晶高分子网络理论和应用方面的成就获得2003年欧洲HP物理奖。在我国，中国物理学会液晶分会主任委员、中科院理论物理所前所长，欧阳钟灿从事液晶物理、生物膜等的研究，1997年当选中科院院士；新任北京大学校长周其凤，曾提出了著名的"甲壳型液晶高分子"概念，1999年当选中科院院士。诚然，当前从事液晶显示技术研究的人远远多于从事液晶科学研究的人，从事液晶科学研究的人远远少于从事其他学科研究的人。因此更说明坚持液晶科学研究的硕果仅存的人和正在投身液晶科学研究的人值得歌颂，选择液晶科学研究方向，其乐无穷，回报丰厚，趣有所值。在我国为液晶科学研究付出过心血的部分前辈物理学家有谢毓章、林磊、赵静安、杨国琛、黄锡珉、欧阳钟灿、王新久、孙政民等；部分前辈化学家有王良御、樊邦棣、闻建勋、李国镇、周恩乐、姚乃燕、周其凤、徐寿颐等。
现在液晶材料的种类越来越多，数量越来越大，到20世纪末已经发现5万多种物质呈液晶相。现在研究液晶的文章也越来越多，液晶已经发展成了一个重要的学科。液晶科学是多学科结合的典范，是物理学家、化学家、生物学家、电子学家、精密机械加工专家的新的用武之地。
2液晶显示技术的发展
现在获得显示上应用的一般是向列相液晶和胆甾相液晶。液晶是一种具有光学各向异性的液体，在两片正交偏光片之间，通过施加电场控制液晶的双折射，旋光性等电光效应，能够达到显示目的。G. H. Heilmeir发现了动态散射对LCD的应用，从此诞生了液晶显示。据说Heilmeir原本想研究使用有机物的光调制元件，结果变成了LCD。1960年代出现的集成电路、透明导电薄膜、纽扣电池等，使得袖珍型电子产品和电子器件有可能装配液晶显示，从而使动态散射液晶显示（DS-LCD）在1970年代迅速得到应用。自1970年以来，美国和日本都已经能制作采用DS模式的液晶显示手表和计算器。1969年发现了胆甾相液晶的相变效应模式，1971年M. F. Schiekel等提出电控双折射（ECB-LCD），重大的发明当数J. L. Fergason、M. Schadt和Helfrich于1972年发明的扭曲向列相液晶显示（TN-LCD）。1974年Heilmeir还发表了宾主效应模式（GH-LCD），1980年出现了铁电液晶显示，1984年T. Scheffer和J. Nehring以及G. Waters等提出了超扭曲向列相液晶显示（STN-LCD），1989年出现了反铁电液晶显示。自1990年以后非晶硅薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）大量进入使用，从此液晶的发展势头更加迅猛。1996年开始，液晶笔记本电脑高速发展，液晶移动电话迅速普及。2000年开始，液晶显示器全面取代CRT台式计算机监视器。2002年开始，大屏幕彩色液晶电视得到大力发展。另外还有聚合物分散液晶显示器（PDLC），双稳态胆甾相液晶显示器（BCD）。液晶显示正处在迅速发展的时期，有人形容说1970年代诞生的半导体集成电路（IC）产业是近代工业的心脏，那么1990年代正式出现的液晶显示器（LCD）产业就是近代工业的感官外貌。
经过数十年的飞速发展，液晶显示在面积尺寸，分辨率，多路寻址能力，亮度，对比度，响应时间，视角，彩色坐标，色度，灰度重复性等方面都有极大提高。也就是在1980年代末1990年代初，日本掌握了STN-LCD及TFT-LCD生产技术，LCD工业开始高速发展，中国大陆出现多家TN-LCD显示器厂。1990年代后期LCD技术开始走上成熟发展之路，一些液晶显示模式被淘汰，CSTN-LCD（彩色超扭曲向列相液晶显示器），TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）占有越来越多市场份额。从2004年开始，LCD已经慢慢取代CRT显示器成为显示器件的主流产品。
液晶最早研究起源于欧洲，大量的液晶材料发现于欧洲。液晶显示诞生于美国，薄膜晶体管液晶显示也是在美国首先出现的，然而美国没有很好地保持这个势头，逐渐落后于日韩等国。美国许多公司正另辟蹊径，致力于研究新型显示器件，包括新型液晶显示，最成功的是TI公司的数控微镜显示（又称DLP技术），正在大屏幕投影电视领域与液晶显示一争高低。其他一些显示模式原创工作很多也是诞生在美国，如电泳电子墨水显示、有机发光二极管显示等。日本在液晶显示方面一直在世界占有绝对领先优势。韩国奋起直追，产量和产值都跻身世界首位。中国台湾在高档液晶显示方面大力投资，产品开始占有世界市场上相当的份额。
液晶显示在1990年代以前还不是一个重要的工业领域。然而现在，日本、韩国、中国已成为液晶显示器件生产大国，每年全球液晶显示的产值都有几百亿美元。液晶显示的高端产品是TFT-LCD，小到手机、数码照相机、摄影录相机，大到笔记本电脑、电脑显示器、各种尺寸屏幕彩色电视机，是20世纪人类的杰出成果之一。液晶显示中档产品，彩色STN-LCD，反射式双稳态胆甾相液晶显示器，用于广告牌，标价牌。液晶显示低档产品，TN-LCD，应用于计算器、手表、仪表、游戏机、复读机。STN-LCD，用在模块用屏、固定电话、传真机、电子词典、车载仪表等。
我国的液晶显示工业在1970年代末开始建立，主要集中在南方，1990年代，我国开始了超扭曲液晶显示器生产，从而提高了我国液晶显示器的生产水平。最近几年，我国在TFT-LCD生产能力全面迅速发展，我国有了京东方、上广电、龙腾光电等多家大尺寸TFT-LCD生产线，产品应用在电脑监视器、笔记本电脑液晶屏，已经摆脱亏损开始赢利。我国还有上海天马、汕尾信利、南京新华日、吉林北方彩晶数码电子、深圳莱宝等多家中小尺寸TFT-LCD生产线，产品应用在手机、电子像册、数码照相机、数码摄相机等。我国还有深圳天马、汕尾信利、汕头超声、无锡夏普、深圳比亚迪、深圳瑞福达等10多家彩色STN-LCD生产线，产品应用在手机，游戏机等。我国还有深圳天马、河北冀雅、汕头超声、深圳新辉开、东莞新林、东莞富相、肇庆显邦、江门亿都、河源精电、深圳捷腾、上海海晶等，100多条TN-LCD、STN-LCD生产线，大量生产着低端产品。现在中国平板显示产业正在全球显示器产业中扮演重要角色，中国是下一代液晶显示器的生产大国。
随着液晶显示器的发展，相关上游产业包括液晶材料、透明导电玻璃、彩色滤光膜、偏光片、背光源、衬垫粉、导电粉等都得到迅速发展；下游产业包括各种模块，各种终端电子产品也都得到迅速发展。液晶显示技术脱颖而出独领，源于它具有明显的优点：（1）使用特性好：低压应用，低驱动电压，平板化，又轻薄，低功耗，产品还有规格型号、尺寸系列化，品种多样，使用方便灵活、维修、更新、升级容易，使用寿命长等许多特点；显示方式有直视型、投影型、透视式、也有反射式；（2）环保特性好：无辐射、无闪烁，对使用者的健康无损害；（3）适用范围宽，从-20℃到+50℃的温度范围内都可以正常使用，既可作为移动终端显示、台式终端显示，又可以作大屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端；（4）制造技术的自动化程度高，大规模工业化生产特性好；（5）TFT-LCD易于集成化和更新换代，是大规模半导体集成电路技术和光源技术的完美结合，继续发展潜力很大。
3液晶非显示器件的发展
其实不止是液晶把世界显示得缤纷多彩，各种液晶显示器花样翻新，而且液晶材料本身也是缤纷多彩的。从事液晶研究人都可能看到过各种液晶织构在偏光显微镜下缤纷绚丽、多姿多彩、美轮美奂的图样。向列相液晶有条纹织构，近晶相液晶有扇状织构、镶嵌织构、盘状液晶有树叶织构。胆甾相液晶平面态格朗让织构，焦锥态有指纹织构，还有很多像古砖城墙，像荷花叶、芭蕉叶，像麦浪，还有小球织构、蓝相织构等。那些美妙图案如果给时装设计师看到，应该会印染出绝伦花样，设计出绝世奇装，裁剪出绝美霓裳。
液晶不仅是在平板显示器上获得应用而大出风头，在其他许多非显示领域也正得到越来越多的研究应用，大放异彩。胆甾相液晶螺距随压力变化有压光效应，随温度变化有热色效应，液晶热图术。在恒定温度下胆甾相液晶对于不同的压力显示不同的颜色，因此能够被用作压力传感器，同样胆甾相液晶暴露在某些蒸汽中会引起螺距的改变，因此导致它们所反射光的颜色的相应变化，这样的器件能用作传感器去探测低浓度的这些蒸汽。超声波打在液晶薄膜上会使它的温度稍稍上升，液晶超声波传感器能用来探测这些波的存在。
液晶器件做光阀在许多方面得到应用，如液晶电焊面罩、液晶光学快门、液晶光开关等。液晶器件做光学元件，如液晶光栅、液晶滤光片、液晶光学光圈、液晶调光器、液晶透镜、液晶光束偏转器。人们在研究液晶自适应光学系统，激光扩束波前畸变液晶校正器、司机用液晶防眩光眼镜、聚合物分散液晶调光玻璃。液晶器件和光纤器件结合，人们在研究液晶光纤传感器、液晶电场传感器、液晶加速度传感器、液晶流速传感器、液晶电压传感器、液晶光存储器、液晶手性光纤。另外人们也在研究液晶太阳能电池，液晶高分子高弹体、应用在汽车轮胎和防弹背心上的聚合物液晶高强度材料。
热致液晶的液晶相是由温度变化引起的，只在一定温度范围内存在，一般只有单一组分。而溶致液晶则由化合物和溶剂组成，液晶相是由浓度变化引起的，其中由水和表面活性剂组成的溶致液晶是较常见的一类。油和水是不能混合的，当一个分子由两部分组成，其一部分自身可与水混合，称为亲水基团；而另一部分则不可以与水混合，而可以与油混合，称为疏水基团，或称亲油基团时，称为两亲分子。两亲化合物也被称为表面活性剂，两亲物质油水混合物形成溶致液晶。Lehmann在定义了液晶这个名词之后，一直致力于对各种液晶的研究。1895年，他发现表面活性剂油酸铵的水溶液也能形成液晶。从此这类液晶引起了人们的关注，后来在人工合成的许多表面活性剂的溶液中都观察到了液晶相的存在。
1960年代，由于热致液晶在电子学领域应用的迅速发展，在一定程度上也促进了对表面活性剂液晶的开发与研究。其中在生物化学和仿生学上的应用是推动表面活性剂液晶研究发展的重要因素。从1960年代开始，人们就已制得比较简单的类脂液晶，得到了有关其结构和性质的许多新认识，并被成功地用作研究生物膜的模型体系。1970年代，生物学家已比较深入地认识了液晶在生物器官和组织中存在的广泛性及液晶聚集状态与生物组织功能的关系。而近年来，生物学家们则主要致力于生物能量的获得形式、光信号响应以及物质代谢等方面的研究。液晶对生物学领域具有重要意义，了解液晶结构对于人们认识生物膜，认识细胞中微丝、微管的功能都有帮助。
目前表面活性剂液晶已广泛地应用于食品、化妆品、三次采油、液晶功能膜、液晶态剂等与人民生活息息相关的各领域。现在人们研究的新的热点主要集中在新型表面活性剂液晶的开发与研究、生物矿化、纳米材料等的制备方面。溶致液晶系统也有一些重要的医药用途，加少量的两亲物质到血流中，使药物更有可溶性，能够传送到要起作用的身体部位。有些药物用两亲化合物把它们密封起来，使它们在消化道内受到保护，却可在血流中溶解把药物释放出来。
4液晶相关各行业的发展
液晶把世界显示得缤纷多彩，中国的液晶产业和液晶相关行业都得到迅猛发展，变化巨大。十年前中国的液晶行业，只有几十条生产线，几千从业者。现在，已有近二百条线，几十万从业人员。十年前中国液晶行业协会会员单位几十家，现在会员单位近二百家。十年前中国液晶行业会议是理事长做报告、美日供应商推介设备产品的会议，开座谈会，会后几十个与会代表还能合影留念。现在是液晶行业年会期间大搞平板显示学术报告会，新技术新产品博览会，有国际著名的专家做学术报告，场面大，到会者众多，还召开高层论坛等。
十年前，液晶显示书籍，仅有[日]立花太郎著、谈漫琪等译《液晶知识》（1984年），[日]佐佐木昭夫著、赵静安等译《液晶电子学基础和应用》（1985年），王良御等著《液晶化学》（1988年），[法]P. G. de Gennes著、孙政民等译《液晶物理学》（1990年），[日]松本正一等著、王殿福等译《液晶的最新技术》（1991年），[日]金子英二著、王新久等译《液晶电视――液晶显示的原理和应用》（1991年），[日]内田龙男等主编、黄锡珉等译《液晶器件手册》（1992年），李维等著《液晶显示器件应用技术》（1992年），深圳天马编《液晶显示器制造工艺》（1993年），周其凤等著《液晶高分子》（1994年），谢毓章著《液晶物理学》（1998年）这十几本书。
现在这十年来，人们又可以看到有更多液晶方面新的书籍，刘永智等编《液晶显示技术》（2000年），范志新编《液晶器件工艺基础》（2000年），应根裕等编《平板显示技术》（2002年），[日]小林骏介等编《前沿显示技术丛书》（2004年），柯林斯著、阮丽真译《液晶――自然界中的奇妙物相》（2003年），黄子强编写的《液晶显示原理》（2005年），李维等编《液晶显示应用丛书》（2006年），王新久编著《液晶光学和液晶器件》（2006年），高鸿锦等编《液晶与平板显示技术》（2007年），王大巍等编《薄膜晶体管液晶显示器件的制造测试与技术发展》（2007年），谷至华编《薄膜晶体管（TFT）阵列制造技术》（2007年）， [美]Cherie R. Kagan等编、廖燕平等译《薄膜晶体管（TFT）及其在平板显示中的应用》（2008年）等。
十年前参与液晶行业活动的媒体主要有《液晶与显示》、《现代显示》和《光电子技术》。《液晶与显示》前身是1993年长春物理所黄锡珉主办的《液晶通讯》，1995年正式发行定名为《液晶与显示》。《现代显示》是1994年由吴葆刚创办的，由温景梧主编。《光电子技术》则是由南京55所主办的。现在人们可以看到有更多的媒体活跃在显示领域，如《国际光电与显示》、《平显时代》、《平板显示文摘》、《中华液晶资讯网》等。
《现代显示》杂志创刊，倾注了吴葆刚老师科技报国的心血。吴老师洞察国际显示科技动向，致力于把先进的现代显示技术介绍给国内科技工作者，资助创办《现代显示》杂志，自己带头撰写文章，联络召集留学海外的显示领域专家为杂志写专题论文。《现代显示》杂志创刊，凝聚着温景梧老师的辛勤汗水，跑机关办手续，约稿审稿，跑印刷厂，跑邮局，参加行业会议亲力亲为推广杂志，创业难，温老师以一己之力，撑起《现代显示》杂志一面旗帜。《现代显示》杂志创刊，把液晶显示、等离子显示、有机发光显示、各种现代显示技术，介绍给了国内读者。《现代显示》杂志创刊，吴诗聪、杨登科、郭海成、薛九枝、杨界雄、连水池、赵静安、王新久、李维等，太多的华人显示界专家，怀着同样的热情，把他们掌握的先进显示知识介绍给国内显示界新人。《现代显示》杂志创刊，得到了显示行业的支持，季国平、高鸿锦、刘培正、万博泉、孙政民、董友梅等中国光协液晶分会的负责人都在杂志上发表了产业动态的文章。《现代显示》杂志还与国际信息显示协会SID杂志合作，载译信息显示文章。《现代显示》杂志创刊，为显示行业企业与学术界创造交流媒体，集商情，产业论坛，专家思考，技术前沿，应用研究，工艺交流等栏目为特色，为我国液晶显示事业发展传播资讯，竭力煽情，加油做劲。
近年来，液晶产业在中国发展迅速，液晶产业已被各地政府作为拉动GDP增长的"动力机车"。但是，液晶产业最关键的一环――人才培养，却成为企业最棘手的难题。有企业高管呼吁希望在具备基础的重点大学设立平板显示专业和重点实验室，每年为国家平板显示产业输送3，000名以上的本科毕业生、500名以上的研究生。希望加强液晶基础理论研究，产出一批基础和前瞻性成果，并在高校、研究所和企业之间探索人才培养和科研项目合作投资，帮助企业培养人才、解决专门的技术需求。总之液晶显示人才培养问题倍受关注。
十多年前，笔者写出河北工业大学应用物理系的系歌，歌词是这样：
交流时空，胆甾精灵纷纷旋起来。数字，向列魔棒频频转起来。神屏片片，信息无限，让所有的目光都看过来。哇，液晶把世界显示得缤纷多彩。
燕赵大地，优秀青年汇聚这里来。液晶领域，明日之星从此升起来。掌握物理，面向实践，去开创显示界未来。哇，这里是培养液晶行业人才摇篮。
第一段歌词，说来自鸣得意，如今液晶显示技术强势发展，市场火爆，可以说是家喻户晓，无所不在，这段歌词还正有生命力，正是现在液晶显示辉煌时代的真实写照。第二段歌词，说来汗颜惭愧，十多年里，仅为液晶行业输送了十几个研究生，一百多个本科生，而相比于整个行业需求，只占年需求的千分之几。在液晶行业大步向前发展的时候，液晶行业人才紧缺，作为这个小系主任，笔者自责没有把这个专业做大做强，这里没有培养出更多的液晶行业合格人才着实令人遗憾不已。
1980年代清华、北大纷纷撤销了液晶专业后，国内只有天津的河北工业大学设有液晶物理专业。在杨国琛教授的主导下，1984年开始招收液晶物理方向研究生，1994年成立应用物理系，专业方向液晶物理，培养有系统液晶物理知识并受过工程技术训练的新型液晶物理和液晶显示行业人才。液晶物理专业属于应用物理学科，主要专业特色课程：液晶物理学、液晶物理实验、液晶器件工艺、液晶工艺实验、液晶驱动技术等。本专业出版有笔者所编教材《液晶器件工艺基础》，自编讲义有《液晶光学》、《液晶显示模式》、《液晶物理》、《TFT-LCD工艺》等。本专业有液晶物理实验室和拓普微液晶显示驱动技术实验室，开设专业实验液晶物理实验10个，液晶工艺实验10个，液晶驱动实验5个。本专业在国内多家液晶显示器公司建立了校外毕业实习基地，现在每年都有几家公司到本系举办人才招聘会，每年都有部分学生到一些公司作毕业实习并就业。本专业培养的部分研究生毕业后受到公司青睐而得到重用，为本专业争光扬名。
现在液晶显示人才培养状况已经发生变化，国内很多学校开始在办液晶显示相关专业，一些学校到本专业取经交流过。除河北工业大学之外，陕西科技大学陕西科技大学电气与电子工程学院十年来为液晶行业输送了大量本科生。西安交通大学、西安电子科技大学、北京理工大学、北京交通大学、成都中国电子科技大学等学校都是液晶显示器公司愿意前往做校园招聘的地方。北京交通大学和东南大学都早有显示技术中心，上海复旦大学和上海大学也都新建立了平板显示中心，成都中国电子科技大学光电信息学院黄子强团队，四川大学高分子科学与工程学院汪映寒团队，北京科技大学材料学院杨槐团队，华东理工大学理学院物理系沈冬团队，都在培养液晶科学方向研究生和本科生。总之液晶显示人才培养状况已经有所改善。
5展 望
今天人们生活在信息化时代，需要显示多样和大量的信息。人们对显示元件的要求是易看、易操作、动态静态都能显示、节能、环保、廉价等。我们周围的钟表、计算器、手机、数码照相机、笔记本电脑、电视等都已经广泛使用液晶显示元件。但是液晶显示仍然有需要改进的地方，虽然液晶显示淘汰了一些如CRT显示，可是如今其他各类显示技术也在向液晶显示技术发起挑战。众所周知，超大屏幕显示，LED（发光二极管）普遍用在机场、车站、广场、商场，显示效果耀眼夺目，无比震撼，令液晶显示望尘莫及。大屏幕显示，PDP（等离子显示）在一些性能上优于LCD，竞争远没有结束，液晶显示在背光源上做文章，TFT-LCD采用LED背光源达到节能降耗目的是摆在研究者面前的重要课题。中小尺寸显示，OLED（有机发光二极管显示）以其优良显示特点向需要背光源的LCD发起强势冲击，在柔性显示、手机、数码照相机等领域，OLED和LCD将有一段此消彼长的竞争时期。不过，真正在功耗上可以向液晶显示挑战的是那类电场效应型、有存储记忆功能、反射式的电泳电子墨水之类的电子纸显示器。
电子纸是未来一代具有低能耗、高反射、宽视角的薄层柔性便携显示器件，代表性技术方案是基于电泳技术的电子墨水（E-Ink）等。液晶显示是一个具有竞争性的方案，像纸一样的液晶显示目前主要是在电子书和电子标签一类显示应用方面。由于显示器要像纸一样地柔韧，所以柔性显示主要是高分子塑料显示。它只消耗非常少的能源，所以它必须是双稳态显示器。可以实现像纸一样显示器的液晶显示方案也比较多，如表面致稳的胆甾相液晶显示（SSCT），双稳态扭曲向列相显示（BTN，BiNem，ZBD），聚合物致稳的胆甾相液晶显示（PDCLC），聚合物增强的负性胆甾相液晶显示（PENCLC）等。电子纸技术现在是电泳电子墨水一枝独秀，乐金飞利浦正在开拓和占领市场。而聚合物分散胆甾相液晶双稳显示对比度和亮度、驱动电压、成本等问题，不能与之竞争。其他双稳态扭曲向列相显示需要用偏光片，不能达到白纸效果。电泳电子墨水也存在还不很白，成本高等问题。聚合物分散向列相液晶可能有双稳模式，有待液晶科学工作者研究开发。一旦PDLC实现双稳，则优势会有，可以很白，电压很低，工艺简单，可以很便宜，可以在廉价低档电子纸显示中占有一席之地。
在我们分享着液晶显示带给人们无限的信息和愉悦的视觉的同时，回顾液晶科学和液晶显示技术的发展历程，盘点液晶科学和液晶显示产业的辉煌成就，也需要让液晶界新人记得为液晶科学和液晶显示产业做出贡献的中外液晶领域前辈科学家。今年是《现代显示》杂志创刊15周年，同时也是河北工业大学应用物理系液晶器件物理本科专业成立15周年，本文介绍一下《现代显示》杂志和河北工业大学应用物理系为中国液晶显示事业所尽绵薄微力，以示纪念。
参考文献
[1] 王勃华.中国FPD产业现状与发展趋势[M].中国光协液晶分会年鉴，2007，7-15.
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[关键词]半导体；晶体管；超晶格
中图分类号：O47
文献标识码：A
文章编号：1006-0278（2013）08-185-01
一、半导体物理的发展
（一）半导体物理早期发展阶段
20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。
晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明，这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。
（二）半导体超晶格物理的发展
建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念，这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。
二、半导体物理的启示
综上所述，文章简单地对半导体物理的一个发展历程进行了回顾，并可以从中得到以下几点启示：
（一）半导体物理的发展一直与科学实验与工业技术应用紧密联系
20世纪30年代之前，人们已经制成整流器、检波器、光电探测器等半导体器件，同时在实验中发现金属——半导体的接触材料上一些导电特性，可是无法理解这其中的物理机理。一直到能带理论建立后，基础建立起金属——半导体接触理论。随后，在实验过程中却发现该理论与实验测量是有出入的，又提出半导体表面态理论。正由于考虑到半导体表面态影响，贝尔实验室才能成功研制晶体管，这又促进半导体物理发展。不难发现，半导体物理的发展与实验是离不开的，因新的实验结论推动相应理论的建立，而理论发展又会反过来去指导实验的研究。19世纪30年代法拉第发现电磁感应定律，这为电力的广泛应用奠定理论基础，架起电能和机械能相互转化的桥梁，为第二次工业革命铺路。晶体管的成功研制，大规模与超大规模集成电路出现，导致第三次工业革命。这都是涉及信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和生物技术等众多领域的一场信息技术革命。
关键词 ：晶体 晶体光学 激光技术 应用
激光由于其单色性、方向性、相干性和高亮度等特点，为人类带来了一种崭新的强光源。自上世纪60年代第一台红宝石激光器发明开始，激光技术就开始了其不断发展的历程。本文主要介绍了激光技术、晶体及各种晶体特性在激光技术中的应用，另外还介绍了激光技术的发展趋势，展望激光技术的应用与发展前景。
一、激光技术的概述
激光器发明以来各种新型激光器一直是研究重点。为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大地发展。这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等;有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术、倍频技术和偏转技术等。在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一种，常常是几种技术并用。
二、晶体的概述
晶体是分子、原子或离子按一定周期性在空间排列并在结晶过程中形成的具有一定规则的具有几何外形的固体。常见的晶体都呈现出规则的几何形状，晶体的内部原子排列规整严格，其主要具有以下几个方面的特点：一是具有规则整齐的几何外形;二是有固定的熔点，能够在熔化固液共存的过程中，保持恒定不变的温度;三是具有各向异性这一特点。上述特点是晶体所具有的特点，而不具有固定形体的物体则不具有这些特点。
按照内部结构，可以将晶体分为七大晶系与十四种晶格类型，而按照内部各指点之间作用力的性质的不同，又可以将晶体分为原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体等四种较为典型的晶体。不同的晶体之间也具有一定的特殊差别，但就总体而言，几乎所有的晶体都具有以下几个方面的性能：首先是均一性与异向性，由于晶体内部各质点都是相同的，并且是均匀分布的，因此，同一晶体各个部分的性质是相同的，这就是晶体所具有的均一性，而在同一个晶体格子当中，不同方向的质点排列都不相同，这也影响了晶体的性质，这就是晶体的异向性;其次是晶体的最小内能及稳定性，与同种物质的液体、气体等非晶体相比较，晶体具有最小的内能，晶体内部的质点呈规律性的排列，这就使得各个质点之间的引力、斥力呈现出平衡的状态，进而使晶体内部的各个部分所受的力保持平衡，位能最低;另外就是晶体的对称性，晶体对称性的表现是在晶体中各个相等的晶面、晶棱与角顶的有规律的重复出现，晶体的对称性除了在外部形态有表现外，在其内部构造方面也是对称的。
三、 晶体在激光技术中的应用
（一）在工作物质中的应用
在固体激光器中，工作物质往往会采用一些具有优良的光学均匀性好、化学稳定性好、热导率高和机械强度高的晶体作为基质材料，再掺杂一些激活离子，从而使工作物质有了人们需要的光谱特性。常用的激活离子有：铬（Cr3+）钕（Nd3+）镱（Yb3+）钬（Ho3+） 激活离子主要为过渡族金属离子和三价稀土离子。常用的基质材料分为晶体与玻璃两大类，基质材料体现了固体工作物质的物理性能，掺杂离子体现了固体工作物质的光谱特性。常用的晶体材料有：钇铝石榴石晶体（YAG）、铝酸钇（YAP）、钒酸（GdVO4）、蓝宝石（Al2O3）等。
另外，由于晶体具有优良的光学、化学、热学和机械性能，使得其在激光中的应用也较为的广泛，例如，激光晶体（laser crystal）可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料，其是晶体激光器的工作物质。
（二）在激光调制中的应用
激光因为具有通信容量大、保密性好及抗干扰能力强等优点，因此被看作是传递信息的理想载体，这也是无线电通信所不能企及的。把所需要传递的信息加载于激光的过程叫做激光调制，激光调制的方法很多，但应用较多的就是电光调制，也就是利用晶体的电光对载波电厂进行调制。
激光调制就是把激光作为载波携带低频信号。就调制的方法来讲有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制以及脉冲调制等形式，以上调制方法又可通过电光效应、声光效应和磁光效应等来实现。而电光效应、声光效应和磁光效应等又离不开对各种晶体的使用。例如电光强度调制，利用晶体的电光效应，可控制光在传播过程中的强度。图1是一个经典的电光强度调制的装置示意图。
（三）在激光偏转中的应用
激光束偏转是激光打印、显示、传真、储存、打标、和激光检测等激光应用领域中的基本技术之一。实现激光偏转的途径主要有机械偏转、电光偏转和声光偏转等。电光偏转和声光偏转实际运用了电光效应和声光效应。另外就是激光指向的应用，长距离的激光指向，容易受到大气密度剃度的影响，使光斑位置发生偏转，但利用激光偏转晶体就能够很好地解决这一问题了，激光偏转晶体可以对光斑的位置进行修正，在一定程度上纠正光斑位置的偏移，使激光指向的准确率更高。
（四）在Q开关中的应用
晶体管在开关中的应用主要是功率开关晶体管，在开关电源中，功率开关晶体管是对电源可靠性影响较大的关键器件，电源主要电路中的功率管主要有两种，分别是双极晶体管和MOSFET，这两种功率管在电路中的应用都是极多的，另外由于其各自性能之间存在一定的差异，因此在选用的时候也要结合开关的实际情况及需要等进行合理的选择。除此之外，随着绿色开关的不断发展，IGBT、BSIT以及联删晶体管等新型开关器件也开始涌现，逐步出现在了市场上，其应用及发展前景也是相当广阔。
（五）在激光倍频中的应用
激光自倍频晶体是一类复合晶体，这类晶体具有激光与非线性效应这两种复合功能，采用激光自倍频晶体所制作的全固态的激光器有体积小、稳定性强、调整方便等特点。自上个世纪70年代以来，以YAI3（BO3）4、LiNbO3倍频近体作为基质的激光自倍频晶体就实现了自倍频激光的运转，目前，以Nd：YVO4与KTP光胶为主的小型激光倍频器件得到了广泛的应用，能够获得的绿光在100mW左右，与这一类组合晶体相比较，激光自倍频晶体不仅可以减少一块晶体、减少光胶的制作工艺，还可以在其功率进行较高运转时增强其稳定性，具有较大的优越性，尤其是一些对成本及可靠性要求较高的应用上，激光自倍频晶体更是具有较为突出的优点。
结束语：
晶体以其自身独有的特点在激光技术中的应用中扮演着较为重要的角色，就各种晶体的发展来看，其前景都是不错的，通过科学技术的不断发展，相关研究领域的技术也取得了长足的进步，对各种晶体性能及特点的研究也将更进一步，这为各种晶体在激光技术领域的更好发展奠定了良好的基础，但在各门科学技术都快速发展的同时，也应注意到这些技术为晶体及其在激光技术中的应用与发展带来的机遇与挑战，只有不断的探索、创新，不断钻研，才能更好地把握住机遇、更好地面临挑战，相信通过不断的努力，各种晶体必将在激光应用中得到更好的发展。
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