《微电子技术-简版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子技术-简版（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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1.3.1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)5第1章 信息技术概述什么是集成电
2、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、可靠性高超大规模集成电路小规模集成电路6第1章 信息技术概述IC是所有电子产品的核心7第1章 信息技术概述集成电路的分类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）300010万超大规模集成电路 （VLSI）10万100万极大
3、规模集成电路 （ULSI）100万电子元器件：晶体管、电阻、电容等8第1章 信息技术概述集成电路的分类按晶体管结构、电路和工艺分： 双极型（Bipolar）电路 金属氧化物半导体(MOS)电路 双极-金属氧化物半导体(MOS)电路按电路的功能分 ： 数字集成电路：模拟集成电路：按用途分： 通用集成电路： 专用集成电路（ASIC ）门电路、存储器、微控制器、数字信号处理器又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器微处理器、和存储器等(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
4、须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。 目前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。 集成电路的制造流 程硅硅衬底衬底硅硅平面工艺平面工艺晶圆晶圆芯片芯片集成电路集成电路成品剔除分类封装成品测试共有400多道工序继续晶棒将单晶硅锭（晶棒）经 切割、研磨和抛光严 格清洗后制成的像镜 面一样光滑的圆形薄 片，称为硅抛光片硅平面工艺，它包括氧化，光刻，掺 杂和互连等多项工序。把这些工序反 复交叉使用，最终在硅片上制成包含 多层电路及电子元件的集成电路，每 一硅抛光片上可制作出成百上千个独 立的集成电路(晶粒)，硅片称为晶圆对晶圆上的每个晶粒（每 一个独立的集成电
5、路）进 行检测，将不合格的晶粒 用磁浆点上记号。然后将 晶圆分割成一颗颗单独的 晶粒（集成电）把废品剔 除，把合格的集成电路分 类，再封装成一个个独立 的集成电路将单个的芯片固定在塑胶或陶瓷制的芯片 基座上，并把芯片上蚀刻出的一些的引线 与基座底部伸出的插脚进行连接 ，以作为 与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖 板，用胶水封死，封焊这样就制成了一块 集成电路。跳出11第1章 信息技术概述集成电路的制造流程硅抛光片单晶 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”晶圆晶圆硅平面工艺硅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
6、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”芯片芯片检测、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 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12第1章 信息技术概述FC-PGA2 封装方式（Pentium 4 处理器） 集成电路插座集成电路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1 1 0
7、1 (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。 14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18-24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 00
8、0197019751980198519901995200010 000100 00010610x106100x10640048008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数8048620101000x106 CORE 2 DuoCORE 2 QuadCORE i715第1章 信息技术概述集成电路的工作速度集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的 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。16第1章 信息技术概述集成电路技术的发展趋势199 92001 2004 2008 201
9、0 2014工艺(m)0.180.130.090.0450.0320.014晶体管(M)23.847.613553910003500时钟频 率 (GHz)1.21.62.02.6553.810面积(mm2)340340390468600901连线层 数6789910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17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
10、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(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。19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
11、：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、公交卡、加油卡等）20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。用于安全性要求 不高的场合，如电话卡、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
12、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。21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22第1章 信息技术概述
13、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 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23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
14、：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 24第1章 信息技术概述选学：RFID及其应用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25
15、第1章 信息技术概述附：背景材料26第1章 信息技术概述IC技术发展减小蚀刻尺 寸n减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线 的尺寸n尺寸越小，开关速度越快，性能越高n相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成 本越低n8086的蚀刻尺寸为 3mnPentium的蚀刻尺寸是 0.80mnPentium 4的蚀刻尺寸当前是 0.09m（90纳米）n酷睿2双核的蚀刻尺寸为 0.065m（65纳米） n酷睿2四核的蚀刻尺寸为 0.045m（45纳米）n酷睿i7六核的蚀刻尺寸为 0.032m（32纳米）27第1章 信息技术概述IC技术发展增大晶圆面 积n增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片n比如，使用0.13微米的工艺在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用同样工艺在300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，而实际成本提高不多 28第1章 信息技术概述Intel CPU芯片工艺的进展29第1章 信息技术概述1992以来Intel CPU芯片面积大小和工艺水平的变化.
