微電子技術簡介

1、第第1章章 信息技術概述信息技術概述1.3 微電子技術簡介微電子技術簡介2第1章 信息技術概述1.3 微電子技術簡介微電子技術簡介（1）微電子技術與集成電路）微電子技術與集成電路（2）集成電路的制造）集成電路的制造（3）集成電路的發(fā)展趨勢）集成電路的發(fā)展趨勢（4）IC卡卡(1)(1)微電子技術與集成電路微電子技術與集成電路 微電子技術是信息技術領域中的關微電子技術是信息技術領域中的關鍵技術，是發(fā)展電子信息產業(yè)和各項鍵技術，是發(fā)展電子信息產業(yè)和各項高技術的基礎高技術的基礎 微電子技術的核心是集成電路技術微電子技術的核心是集成電路技術4第1章 信息技術概述什么是電子電路？什么是電子電路？電路板電路

2、板電子電路由電阻，電容，電感和二電子電路由電阻，電容，電感和二極管、晶體管等元器件組成，它們極管、晶體管等元器件組成，它們通過導線連接起來，使電流在其中通過導線連接起來，使電流在其中流動，完成信號的生成、放大、變流動，完成信號的生成、放大、變換或傳輸?shù)裙δ軗Q或傳輸?shù)裙δ苓^去，電路由單個過去，電路由單個元器件（分立元件）元器件（分立元件）和電線連接而成，和電線連接而成，現(xiàn)在則大多制作成現(xiàn)在則大多制作成集成電路形式集成電路形式5第1章 信息技術概述電子電路中元器件的發(fā)展演變電子電路中元器件的發(fā)展演變晶體管晶體管(1948)中中/小規(guī)模小規(guī)模集成電路集成電路(1950s) 微電子技術是以微電子技術是

3、以集成電路集成電路為核心的電子技術，為核心的電子技術，它是在電子元器件小型化、微型化的過程中它是在電子元器件小型化、微型化的過程中發(fā)展起來的。發(fā)展起來的。大規(guī)模大規(guī)模/超大規(guī)模超大規(guī)模集成電路集成電路(1970s)電子管電子管(1904)6第1章 信息技術概述什么是集成電路？什么是集成電路？n集成電路集成電路 (Integrated Circuit，簡稱簡稱IC)：以半導體單晶片作為基片以半導體單晶片作為基片,采用平面工藝，采用平面工藝，將晶體管、電阻、電容等元器件及其連線將晶體管、電阻、電容等元器件及其連線所構成的電路制作在基片上所構成的一個所構成的電路制作在基片上所構成的一個微型化的電路或

4、系統(tǒng)微型化的電路或系統(tǒng)n集成電路的優(yōu)點：集成電路的優(yōu)點：n體積小、重量輕體積小、重量輕n功耗小、成本低功耗小、成本低n速度快、可靠性高速度快、可靠性高超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路7第1章 信息技術概述各種各樣的集成電路各種各樣的集成電路8第1章 信息技術概述IC是所有電子產品的核心是所有電子產品的核心9第1章 信息技術概述集成電路的分類集成電路的分類n按用途分：按用途分：n通用集成電路通用集成電路n專用集成電路專用集成電路（ASIC）n按電路的功能分：按電路的功能分：n數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路n模擬集成電路模擬集成電路n按晶體管結構、電路和工藝分：按晶體管結構、

5、電路和工藝分：n雙極型（雙極型（Bipolar）電路）電路n金屬氧化物半導體金屬氧化物半導體(MOS)電路電路nn按集成度按集成度(芯片中包含的元器件芯片中包含的元器件數(shù)目數(shù)目)分：分：集成電路規(guī)模集成電路規(guī)模元器件數(shù)目元器件數(shù)目小規(guī)模集成電小規(guī)模集成電路（路（SSI）100中中規(guī)模集成電規(guī)模集成電路（路（MSI）1003000大規(guī)模集成電大規(guī)模集成電路（路（LSI）300010萬萬超大規(guī)模集成超大規(guī)模集成電路（電路（VLSI）10萬萬幾十億幾十億極大規(guī)模集成極大規(guī)模集成電路（電路（ULSI）100萬萬(2)(2)集成電路的制造集成電路的制造( (選學選學) ) 集成電路的制造工序繁多，從原料

6、熔煉開始到最集成電路的制造工序繁多，從原料熔煉開始到最終產品包裝大約需要終產品包裝大約需要400400多道工序多道工序，工藝復雜且技，工藝復雜且技術難度非常高，有一系列的關鍵技術。許多工序必術難度非常高，有一系列的關鍵技術。許多工序必須在恒溫、恒濕、超潔凈的無塵廠房內完成。須在恒溫、恒濕、超潔凈的無塵廠房內完成。 興建一個有兩條生產線能加工興建一個有兩條生產線能加工8 8英寸晶圓的集成英寸晶圓的集成電路工廠需投資人民幣電路工廠需投資人民幣1010億元以上。億元以上。 11第1章 信息技術概述制造業(yè)制造業(yè)集成電路的制造過程集成電路的制造過程12第1章 信息技術概述集成電路的制造過程集成電路的制造

7、過程硅拋光片硅拋光片單單晶晶硅硅錠錠單晶硅錠經切單晶硅錠經切割、研磨和拋割、研磨和拋光后制成鏡面光后制成鏡面一樣光滑的圓一樣光滑的圓形薄片，稱為形薄片，稱為“硅拋光片硅拋光片”硅平面工藝包括氧化、光刻、硅平面工藝包括氧化、光刻、摻雜和互連等工序，最終在摻雜和互連等工序，最終在硅片上制成包含多層電路及硅片上制成包含多層電路及電子元件的集成電路。通常電子元件的集成電路。通常每一硅拋光片上可制作成百每一硅拋光片上可制作成百上千個獨立的集成電路，這上千個獨立的集成電路，這種整整齊齊排滿了集成電路種整整齊齊排滿了集成電路的硅片稱作的硅片稱作“晶圓晶圓”對晶圓上的每個對晶圓上的每個電路進行檢測，電路進行檢

8、測，然后將晶圓切開然后將晶圓切開成小片，把合格成小片，把合格的電路分類，再的電路分類，再封裝成一個個獨封裝成一個個獨立的集成電路立的集成電路進行成品測試，進行成品測試，按其性能參數(shù)按其性能參數(shù)分為不同等級，分為不同等級，貼上規(guī)格型號貼上規(guī)格型號及出廠日期等及出廠日期等標簽，成品即標簽，成品即可出廠可出廠13第1章 信息技術概述集成電路生產線集成電路生產線n集成電路產業(yè)發(fā)展迅速，創(chuàng)新能力不斷增強。圖為我國中芯國集成電路產業(yè)發(fā)展迅速，創(chuàng)新能力不斷增強。圖為我國中芯國際集成電路有限公司際集成電路有限公司12英寸超大規(guī)模集成電路生產線英寸超大規(guī)模集成電路生產線 14第1章 信息技術概述FC-PGA2

9、FC-PGA2 封裝方式封裝方式（Pentium 4 Pentium 4 處理器）處理器） 集成電路的集成電路的封裝封裝集成電路集成電路封裝目的：封裝目的： 電功能、散熱功能、機械與化學保護功能電功能、散熱功能、機械與化學保護功能(3)(3)集成電路的發(fā)展趨勢集成電路的發(fā)展趨勢 集成電路的工作速度主要取決于晶體管的尺寸。集成電路的工作速度主要取決于晶體管的尺寸。晶體管的尺寸越小，其極限工作頻率越高，門電路晶體管的尺寸越小，其極限工作頻率越高，門電路的開關速度就越快，相同面積的晶片可容納的晶體的開關速度就越快，相同面積的晶片可容納的晶體管數(shù)目就越多。管數(shù)目就越多。 所以從集成電路問世以來，人們就

10、一直在縮小晶所以從集成電路問世以來，人們就一直在縮小晶體管、電阻、電容、連接線的尺寸上下功夫。體管、電阻、電容、連接線的尺寸上下功夫。 16第1章 信息技術概述 IC集成度提高的規(guī)律集成度提高的規(guī)律Moore定律定律：單塊集成電路的集成度平均每單塊集成電路的集成度平均每18個月個月翻一番翻一番 (Gordon E.Moore,1965年年)例例：Intel微處理器集成度的發(fā)展微處理器集成度的發(fā)展n酷?？犷?雙核雙核 （2006）291410M晶體管晶體管n酷睿酷睿2四核四核 （2007）820M 晶體管晶體管nCore i7 六核（六核（2010） 10億億 晶體管晶體管1 000197019

11、751980198519901995200010 000100 00010610 x106100 x10640048008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶體管數(shù)晶體管數(shù)8048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2 QuadCORE i717第1章 信息技術概述集成電路技術的發(fā)展趨勢集成電路技術的發(fā)展趨勢199920012004200820102014工藝工藝(m)0.180.130.090.0450.0320.014晶體管晶體管(M)23.847.613553910003500時鐘頻率時鐘頻

12、率(GHz)1.21.62.02.6553.810面積面積(mm2)340340390468600901連線層數(shù)連線層數(shù)6789910晶圓直徑晶圓直徑(英寸英寸)121214161618 減小蝕刻尺寸，縮小晶體管、電阻、電容和連線的尺寸減小蝕刻尺寸，縮小晶體管、電阻、電容和連線的尺寸 增大硅晶圓的面積：使每塊晶圓能生產更多的芯片增大硅晶圓的面積：使每塊晶圓能生產更多的芯片18第1章 信息技術概述進一步提高集成度的問題與出路進一步提高集成度的問題與出路n問題：問題：n線寬進一步縮小后，晶體管線條小到線寬進一步縮小后，晶體管線條小到納米級納米級時，其電流微弱到時，其電流微弱到僅有幾十個甚至幾個電子

13、流動，晶體管將逼近其物理極限而無僅有幾十個甚至幾個電子流動，晶體管將逼近其物理極限而無法正常工作法正常工作n出路：出路：n在在納米尺寸納米尺寸下，納米結構會表現(xiàn)出一些新的下，納米結構會表現(xiàn)出一些新的量子現(xiàn)象和效應量子現(xiàn)象和效應，人們正在利用這些量子效應研制具有全新功能的人們正在利用這些量子效應研制具有全新功能的量子器件量子器件，使，使能開發(fā)出新的能開發(fā)出新的納米芯片納米芯片和和量子計算機量子計算機n同時，正在研究將同時，正在研究將光光作為信息的載體，發(fā)展光子學，研制作為信息的載體，發(fā)展光子學，研制集成集成光路光路，或把電子與光子并用，實現(xiàn)，或把電子與光子并用，實現(xiàn)光電子集成光電子集成 (4)

14、IC卡簡介卡簡介幾乎每個人每天都與幾乎每個人每天都與ICIC卡打交道，例如我們的身份卡打交道，例如我們的身份證、手機證、手機SIMSIM卡、交通卡、飯卡等等，什么是卡、交通卡、飯卡等等，什么是ICIC卡？卡？它有哪些類型和用途？工作原理大致是怎樣的？下它有哪些類型和用途？工作原理大致是怎樣的？下面是簡單介紹。面是簡單介紹。20第1章 信息技術概述什么是什么是 IC卡？卡？nIC卡卡(chip card、smart card)，又稱為集成電路卡，它是把，又稱為集成電路卡，它是把集成電路芯片密封在塑料卡基片內，使其成為能存儲信息、集成電路芯片密封在塑料卡基片內，使其成為能存儲信息、處理和傳遞數(shù)據(jù)的

15、載體處理和傳遞數(shù)據(jù)的載體n特點：特點：n存儲信息量大存儲信息量大n保密性能強保密性能強n可以防止偽造和竊用可以防止偽造和竊用n抗干擾能力強抗干擾能力強n可靠性高可靠性高n應用舉例：應用舉例：n作為作為電子證件電子證件，記錄持卡人的信息，用作身份識別（如身份證、，記錄持卡人的信息，用作身份識別（如身份證、考勤卡、醫(yī)療卡、住房卡等）考勤卡、醫(yī)療卡、住房卡等）n作為作為電子錢包電子錢包（如電話卡、公交卡、加油卡等）（如電話卡、公交卡、加油卡等）21第1章 信息技術概述IC卡的類型卡的類型(按芯片分類按芯片分類)n存儲器卡：存儲器卡：封裝的集成電路為存儲器，信息可長期保封裝的集成電路為存儲器，信息可長

16、期保存，也可通過讀卡器改寫。結構簡單，使用方便，有存，也可通過讀卡器改寫。結構簡單，使用方便，有一定安全措施。用于電話卡、水電費卡、公交卡、醫(yī)一定安全措施。用于電話卡、水電費卡、公交卡、醫(yī)療卡等療卡等（帶加密邏輯的存儲器卡（帶加密邏輯的存儲器卡增加了加密電路增加了加密電路）nCPU卡：卡：封裝的集成電路為中央處理器封裝的集成電路為中央處理器（CPU）和存）和存儲器，還配有芯片操作系統(tǒng)儲器，還配有芯片操作系統(tǒng)(Chip Operating System)，處理能力強，保密性更好，常用作證件和信用卡使用。處理能力強，保密性更好，常用作證件和信用卡使用。手機中使用手機中使用的的SIM卡就是一種特殊卡

17、就是一種特殊的的CPU卡卡22第1章 信息技術概述IC卡的類型卡的類型(按使用方式分類按使用方式分類)n接觸式接觸式IC卡卡(如電話如電話IC卡卡)n表面有方型鍍金接口，共表面有方型鍍金接口，共8個或個或6個鍍金觸點。個鍍金觸點。使用時必須將使用時必須將IC卡插入讀卡機，通過金屬觸點卡插入讀卡機，通過金屬觸點傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)。n用于信息量大、讀寫操作比較復雜的場合用于信息量大、讀寫操作比較復雜的場合,但易但易磨損、怕臟、壽命短磨損、怕臟、壽命短n非接觸式非接觸式IC卡卡(射頻卡、感應卡射頻卡、感應卡)n采用電磁感應方式無線傳輸數(shù)據(jù)，解決了無源采用電磁感應方式無線傳輸數(shù)據(jù)，解決了無源（卡中無電

18、源）和免接觸問題（卡中無電源）和免接觸問題n操作方便，快捷，采用全密封膠固化，防水、操作方便，快捷，采用全密封膠固化，防水、防污，使用壽命長防污，使用壽命長n用于讀寫信息較簡單的場合，如身份驗證等用于讀寫信息較簡單的場合，如身份驗證等 接觸式接觸式IC卡卡接觸式接觸式IC卡的結構卡的結構非接觸式非接觸式IC卡卡23第1章 信息技術概述非接觸式非接觸式IC卡的工作原理（選學）卡的工作原理（選學）讀卡器發(fā)出一組固定讀卡器發(fā)出一組固定頻率的無線電波頻率的無線電波(射頻射頻信號信號)，通過天線向外，通過天線向外發(fā)射發(fā)射IC卡激活后，通過輻射電卡激活后，通過輻射電磁信號將卡內數(shù)據(jù)發(fā)射出磁信號將卡內數(shù)據(jù)發(fā)

19、射出去去(或接收讀卡器送來的數(shù)或接收讀卡器送來的數(shù)據(jù)據(jù))當當IC卡處在讀卡器有效范圍卡處在讀卡器有效范圍(一般為一般為510cm)內時，卡內的一個內時，卡內的一個LC串聯(lián)諧串聯(lián)諧振電路振電路(諧振頻率相同的諧振頻率相同的)便產生電磁便產生電磁共振，使電容充電，從而為卡內其它共振，使電容充電，從而為卡內其它電路提供電路提供2V的工作電壓的工作電壓讀卡器收到數(shù)據(jù)后，通過接口將讀卡器收到數(shù)據(jù)后，通過接口將IC卡數(shù)據(jù)傳送給卡數(shù)據(jù)傳送給PC，PC將判斷該卡將判斷該卡的合法性，作出相應處理的合法性，作出相應處理24第1章 信息技術概述選學：選學： 非接觸式非接觸式IC卡在身份證中的使用卡在身份證中的使用n

20、第二代身份證使用非接觸式第二代身份證使用非接觸式CPU卡，可實現(xiàn)卡，可實現(xiàn)“電子防偽電子防偽”和和“數(shù)字管理數(shù)字管理”兩大功能兩大功能 ：n電子防偽措施：個人數(shù)據(jù)和人臉圖像經過加密后存儲在芯電子防偽措施：個人數(shù)據(jù)和人臉圖像經過加密后存儲在芯片中，需要時可通過非接觸式讀卡器讀出進行驗證。以后片中，需要時可通過非接觸式讀卡器讀出進行驗證。以后還可以將人體生物特征如指紋等保存在芯片中，以進一步還可以將人體生物特征如指紋等保存在芯片中，以進一步提高防偽性能提高防偽性能n數(shù)字管理功能：數(shù)字管理功能：n存儲器能儲存多達幾兆字節(jié)的信息，采用分區(qū)存儲，按不同安存儲器能儲存多達幾兆字節(jié)的信息，采用分區(qū)存儲，按不同安全等級授權讀寫全等級授權讀寫n采用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)快速查詢和身份識別，采用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)快速查詢和身份識別，使二