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1、第1章 信息技术概 述 1.3 微电子技术简介 2 第1章 信息技术概述 1.3 微电子技术简介 （1）微电子技术与集成电路 （2）集成电路的制造 （3）集成电路的发展趋势 （4）IC卡 (1)微电子技术与集成 电路 微电子技术是信息技术领域中的关 键技术，是发展电子信息产业和各项 高技术的基础 微电子技术的核心是集成电路技术 4 第1章 信息技术概述 什么是电子电路？ 电路板 电子电路由电阻，电容，电感和二 极管、晶体管等元器件组成，它们 通过导线连接起来，使电流在其中 流动，完成信号的生成、放大、变 换或传输等功能 过去，电路由单个 元器件（分立元件 ）和电线连接而成 ，现在则大多制作 成
2、集成电路形式 5 第1章 信息技术概述 电子电路中元器件的发展演变 晶体管 (1948) 中/小规模 集成电路 (1950s) 微电子技术是以集成电路为核心的电子技术 ，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中 发展起来的。 大规模/超大规模 集成电路(1970s) 电子管 (1904) 6 第1章 信息技术概述 什么是集成电路？ n集成电路 (Integrated Circuit，简称IC)： 以半导体单晶片作为基片,采用平面工 艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连 线所构成的电路制作在基片上所构成的一个 微型化的电路或系统 n集成电路的优点： n体积小、重量轻 n功耗小、成本低 n速度快、
3、可靠性高 超大规模集成电路 小规模集成电路 7 第1章 信息技术概述 各种各样的集成电路 8 第1章 信息技术概述 IC是所有电子产品的核心 9 第1章 信息技术概述 集成电路的分类 n按用途分： n通用集成电路 n专用集成电路（ASIC） n按电路的功能分： n数字集成电路 n模拟集成电路 n按晶体管结构、电路和工艺分 ： n双极型（Bipolar）电路 n金属氧化物半导体(MOS) 电路 n n按集成度(芯片中包含的元器件 数目)分： 集成电路规模元器件数目 小规模集成电 路（SSI） 100 中规模集成电 路（MSI） 1003000 大规模集成电 路（LSI） 300010万 超大规模
4、集成 电路（VLSI） 10万几十亿 极大规模集成 电路（ULSI） 100万 (2)集成电路的制造(选 学) 集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最 终产品包装大约需要400多道工序，工艺复杂且技 术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必 须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。 兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成 电路工厂需投资人民币10亿元以上。 11 第1章 信息技术概述 制造业 集成电路的制造过程 晶片 封装 硅锭 切开的晶片 切片 硅抛光片 氧化、光刻、掺杂 等处理 晶圆 测试后的晶片 晶片 切割 晶片 测试 集成电路成品 成品 测试 封装后的晶片 12 第1章 信
5、息技术概述 集成电路的制造过程 硅抛光片 单晶 硅锭 单晶硅锭经切 割、研磨和抛 光后制成镜面 一样光滑的圆 形薄片，称为 “硅抛光片” 晶圆晶圆 硅硅平面工艺平面工艺 硅平面工艺包括氧化、光刻 、掺杂和互连等工序，最终 在硅片上制成包含多层电路 及电子元件的集成电路。通 常每一硅抛光片上可制作成 百上千个独立的集成电路， 这种整整齐齐排满了集成电 路的硅片称作“晶圆” 晶片晶片 检测、分类检测、分类 集成电路集成电路 封装封装 对晶圆上的每个 电路进行检测， 然后将晶圆切开 成小片，把合格 的电路分类，再 封装成一个个独 立的集成电路 成品测试成品测试 成品成品 进行成品测试 ，按其性能参
6、数分为不同等 级，贴上规格 型号及出厂日 期等标签，成 品即可出厂 13 第1章 信息技术概述 集成电路生产线 n集成电路产业发展迅速，创新能力不断增强。图为我国中芯国 际集成电路有限公司12英寸超大规模集成电路生产线 14 第1章 信息技术概述 Core i7/i5/i3 CPU的LGA封装） 主板上的主板上的CPUCPU插座插座 集成电路的封装 集成电路封装目的： 电功能、散热功能、机械与化学保护功能 (3)集成电路的发展趋 势 集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。 晶体管的尺寸越小，其极限工作频率越高，门电路 的开关速度就越快，相同面积的晶片可容纳的晶体 管数目就越多。 所以从集成
7、电路问世以来，人们就一直在缩小晶 体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。 16 第1章 信息技术概述 IC集成度提高的规律 Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻 一番 (Gordon E.Moore,1965年) 例：Intel微处理器集成度的发展 n酷睿2双核 （2006）291410M晶 体管 n酷睿2四核 （2007）820M 晶体管 nCore i7 六核（2010） 10亿 晶体管 1 000 1970197519801985199019952000 10 000 100 000 106 10 x106 100 x106 4004 8008 8080 8086 80
8、286 80386 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4 晶体管数 80486 2010 1000 x106 CORE 2 Duo CORE 2 Quad CORE i7 17 第1章 信息技术概述 集成电路技术的发展趋势 199 9 2001 2004 2008 2010 2014 工艺(m)0.180.130.090.0450.0320.014 晶体管(M)23.847.613553910003500 时钟频 率 (GHz) 1.21.62.02.6553.85 (?) 面积(mm2)340340390468600901 连线层 数6789910
9、 晶圆直径(英寸 ) 121214161618 减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸 增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片 18 第1章 信息技术概述 进一步提高集成度的问题与 出路 n问题： n线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到 仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正 常工作 n出路： n在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应， 人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开 发出新的纳米芯片和量子计算机 n同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成 光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成 (
10、4) IC卡简介 几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身份 证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？ 它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下 面是简单介绍。 20 第1章 信息技术概述 什么是 IC卡？ nIC卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把 集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处 理和传递数据的载体 n特点： n存储信息量大 n保密性能强 n可以防止伪造和窃用 n抗干扰能力强 n可靠性高 n应用举例： n作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份 证、考勤卡、医疗卡、住房卡等） n作为电子钱包（如电话卡、
11、公交卡、加油卡等） 21 第1章 信息技术概述 IC卡的类型(按芯片分类) n存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保 存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便，有一 定安全措施。用于电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡 等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路） nCPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存 储器，还配有芯片操作系统(Chip Operating System)， 处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。 手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡 22 第1章 信息技术概述 IC卡的类型(按使用方式分类 ) n接触式IC卡(如电话IC卡) n表面有方型镀金
12、接口，共8个或6个镀金触 点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属 触点传输数据。 n用于信息量大、读写操作比较复杂的场合, 但易磨损、怕脏、寿命短 n非接触式IC卡(射频卡、感应卡) n采用电磁感应方式无线传输数据，解决了 无源（卡中无电源）和免接触问题 n操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防 水、防污，使用寿命长 n用于读写信息较简单的场合，如身份验证 等 接触式IC卡 接触式IC卡的结构 非接触式IC卡 23 第1章 信息技术概述 非接触式IC卡的工作原理（选 学） 读卡器发出一组固定 频率的无线电波(射频 信号)，通过天线向外 发射 IC卡激活后，通过辐射电 磁信号将卡内数据发射出
13、去(或接收读卡器送来的数 据) 当IC卡处在读卡器有效范围(一般为 510cm)内时，卡内的一个LC串联谐 振电路(谐振频率相同的)便产生电磁 共振，使电容充电，从而为卡内其它 电路提供2V的工作电压 读卡器收到数据后，通过接口将IC 卡数据传送给PC，PC将判断该卡 的合法性，作出相应处理 24 第1章 信息技术概述 选学： 非接触式IC卡在身份证中的使 用 n第二代身份证使用非接触式CPU卡，可实现“电子防伪” 和“数字管理”两大功能 ： n电子防伪措施：个人数据和人脸图像经过加密后存储在 芯片中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。以后 还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中，以进
14、一步提 高防伪性能 n数字管理功能： n存储器能储存多达几兆字节的信息，采用分区存储， 按不同安全等级授权读写 n采用数据库和网络技术，实现全国联网快速查询和身 份识别，使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商 务等方面发挥重要作用 25 第1章 信息技术概述 选学： 什么是电子标签(RFID)？ n电子标签RFID(Radio Frequency Identification) ，即射频标识技术，用 于控制、检测和跟踪物体 n标签进入阅读器磁场的有效范围后，发送出存储在芯片中的产品信息( 无源标签)，或者主动发送某一频率的信号(有源标签)；阅读器读取信息 并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理 26 第1章 信息技术概述 选学： RFID应用举例（1） 电子标签 天线 阅读器 n 当电子标签进入阅读 器的磁场后，它接收阅读 器发出的射频信号，凭借 感应电流所获得的能量， 发送出存储在芯片中的信 息，由阅读器读取，然后 送CPU进行处理 使用RFID的车辆电子收费系统 27 第1章 信息技术概述 （2） （3） （4） （5） （4） （1） （2） 选学： RFID应用举例（2） 使用RFID的图书馆管理系统
