20世纪初期和中叶,电子技术的发展上了3级台阶,产生3次飞跃,这就是从电子管的问世,到晶体管的产生直到集成电路(大规模)的广泛使用。由于电子技术的发展,极大地提高了人类的物资文明,现代人类社会几乎各种工业领域都享受到了这一发展所带来的硕果。
        电子管的发明,始于人们对爱迪生效应的研究。早在1883年,爱迪生把一个和电路中阳极相连的金属板封在电灯泡里,当和阴极相连的灯丝通电发亮的时候,发现在互不接触的灯丝和金属板之间有电流通过。这个现象叫做爱迪生效应。爱迪生是美国著名发明家,是技术历史中显著的天才之一。他本人并没有重视这一现象,后来成为电子管和电子工业的基础,
        1897年,英国物理学家汤姆逊在皇家学会的演讲中,详细论证阴极射线就是由具有质量的带电粒子组成的,这种粒子的电荷等于基本电荷,这种粒子就是电子。随着电子的发现,人们认识到爱迪生效应是电子从灯丝出发在电场力的作用下,到达正极所致,也就是灯丝发射电子。爱迪生效应是由于灯丝被电流加热才发射电子,叫做热电子发射;它和克鲁克斯管发射阴极射线的现象有不同的地方,克鲁克斯管是在阴极和阴极之间的高电压作用下,管里残存的气体电离,在阳离子撞击下,阴极发射电子,这叫做二次发射。
        1904年,英国工程师弗莱明(1848—1945)应用爱迪生效应,发明了二极管。他在真空的灯泡里用圆筒形的金属片(板极)把灯丝包围起来。板极和灯丝之间加上一个交变电压,同时给灯丝通电加热。板极带正电时,灯丝和板极之间有电流通过;板极带负电的时候,就没有电流通过。这种装有板极的灯泡只允许电流向一个方向流动,也就是可以把交变电流转变成直流电,起到整流作用。因为这种灯泡里只有灯丝(阴极)和板极两个电极,所以叫做二极电子管或二极真空管,简称二极管。
        二极管可以用来整流和检波。经过检波的电信号有足够功率的时候,就可以使耳机或喇叭发出声音。为了放大电信号,发明了三极管。
        1906年,美国发明家福雷斯特(1873—1961)在改进二极管检波器输出信号微弱的工作中发现,若在二极管正、负极之间加一个金属丝作为栅极,检波效果更好。这样,制成了世界上第一只三极管。栅极带正电的时候,就能够吸引灯丝发射的电子,使之加速飞向板极。栅极上的电压只要有微弱变动,就可以使极板电流发生很大的变化。三极管可以起到放大信号的作用,是无线电通信中的主要元件。
        继三极管之后,更多种类的电子管被开发出来,广泛应用,有力地促进了电讯和广播事业的发展。1921年,世界上第一个广播电台在美国匹兹堡开始广播。其后,各地广播电台相继建立,收音机开始普及,电子管生产迅速发展。
        本世纪40年代,随着电子管品种、质量和性能的改进,不但无线电话、电报、广播得到迅速发展,而且无线电导航、测距也发展起来,在这个时期,利用光电效应,发明了能够把物体形象转变成电信号的摄像管。利用阴极射线可以使荧光物质发光的现象,研究成功把电信号显示成图像的多种阴极射线管。在此基础上,雷达、电视问世了。
        但是,电子管有一个致命的弱点,就是体积较大,无法适应电子器件越来越小型化的要求。1928年,科学家们提议用半导体材料制作和电子管功能差不多的晶体管。晶体管和电子管尽管功能相当,但是原理和所用材料却有很大不同。晶体管问世之前,呼唤着半导体材料的研究和创生。
        半导体材料是导电性介于金属和绝缘体之间的材料,一般是固体,比如锗和硅等。半导体中杂质的含量和外界条件(温度和光照)的改变会引起导电性能的变化。半导体材料之间,或者半导体和某些金属材料之间相接触的地方,具有单向导电的性能,和二极电子管的性能相似。
        第一个固体传导性的相关理论(包括绝缘体、半导体和导体的特性),是美籍瑞士物理学家布洛赫(1905—)创立的。他在1928年博士论文中提出了固定量子论,迄今为止,这一理论仍是理解电传导的基础。布洛赫的半导体理论创立以后,一方面由于当时还缺少研究半导体电子特性的知识,另一方面由于按温度、压力、化学组成等宏观概念产生的半导体材料,在微观结构上是混乱的,没有规律的,其电子性能具有很大的偶然性,因此晶体管没有研制成功。随着研究分子、原子和电子状态的固体物理学的发展,随着晶体生长理论和生长技术的发展,高纯度的晶体锗生产出来了。有了在微观上达到纯粹并且有规律的半导体材料,为晶体管的研究创造了条件。
        美国贝尔电话实验室的巴丁(1908—)、肖克莱和布拉坦等人合作,于1956年共同发明了晶体管。
        巴丁于1938—1941年在明尼苏达大学任职,第二次世界大战期间任美国海军军械实验室首席物理学家。战后到贝尔电话实验室工作,研究半导体理论,1947年提出关于结晶表面的理论。布拉坦是实验物理学家,他对半导体表面进行的实验研究,发展了半导体单晶的精制、成长等有关技术。1948年,巴丁和布拉坦合作研制成功第一个点接触型晶体管。肖克莱从1945年起在贝尔电话实验室从事半导体理论研究,1949年提出P—N结论(关于晶体中由于掺入杂质的不同所形成的P型和N型两种导电类型区域的理论)。不久,贝尔电话实验室研制成功第一个结型晶体三极管。
        由于晶体管比电子管有种种无可比拟的优点,在50年代末和60年代初,晶体管逐渐取代了电子管。
        随着科学技术的发展,晶体管电路不断微型化的产物,使集成电路应运而生。
        集成电路不是几个人在一天里突然发明的产物。传统电路是利用机械加工和焊接的办法,把具有宏观尺寸和重量的材料加工成元件,然后再组合成电路。在50年代末期,产生了利用金属氧化物的真空镀膜技术和蚀刻技术,因此可以制作薄膜电阻和电容。随着晶体生长技术的发展,随着固体物理学关于晶体中缺陷、位错、杂质等研究的发展,不但能够制出高纯度晶体,而且能够达到按分子集团来组配的精确程度。利用真空扩散和表面处理等办法,能够把只有几百个分子厚的薄膜分子层一层一层地重叠起来,制成平面型晶体管。60年代初制成的平面型晶体管寿命达到1千万小时,同时性能也大大提高了。把很薄的一片片薄膜电阻、薄膜电容、平面型晶体管组装在一起,就成了微型组合电路。1959年开始工业化生产。
        微型组合电路进一步发展,就是把各种元件都制作在一个单晶硅片上,在一个硅片上包含许多电路,这就是集成电路。
        60年代中期,发展了离子注入技术,把需要的杂质原子注入到冷晶格里具有几何精度的位置上。这样,在一个单晶硅片上,经过真空扩散镀膜、光蚀刻、离子注入、表面氧化等过程,就可以制出集成大量元件的集成电路。1959年,一个硅片上只有一个元件,1964年增加到10个,1967年达到60个,1972年达到1500个,1976年可在一个只有5mm²的硅片上集成27000个元件。一块晶片上包含超过1000个晶体管集成的电路的,叫大规模集成电路。
        在从晶体管到集成电路的发展过程中,除了需要固体物理学知识外,材料、技术和工艺占有重要地位。材料是固体物理学研究的对象,是集成电路的物质基础。有了高纯度锗晶体,才研制成晶体管。随着单晶硅的发展,硅晶体管代替了锗晶体管;随着单晶硅材料纯度的提高,集成电路取代了晶体管。
        集成电路包含着成千上万的元件,设计和计算十分复杂,产品质量要求特别高,不允许其中哪个元件在加工中不合格。因此,从设计到生产控制和产品检验都要靠电子计算机辅助。集成电路的发展是电子计算机的发展相互促进的硕果。