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第1章1.3 微电子技术


第1章 信息技术概述

1.3 微电子技术简介

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

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第1章 信息技术概述

(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

什么是电子电路?
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 集成电路形式

电路板
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第1章 信息技术概述

电子电路中元器件的发展演变
电子管 (1904) 晶体管 (1948) 中/小规模 集成电路 (1950’s) 大规模/超大规模 集成电路(1970’s)

? 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。
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第1章 信息技术概述

什么是集成电路?
? 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
小规模集成电路

微型化的电路或系统
? 集成电路的优点:
? ? ?

体积小、重量轻 功耗小、成本低 速度快、可靠性高
超大规模集成电路

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第1章 信息技术概述

各种各样的集成电路

7

第1章 信息技术概述

IC是所有电子产品的核心

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第1章 信息技术概述

集成电路的分类
? 按用途分: ? 通用集成电路 ? 专用集成电路(ASIC)

集成电路规模 小规模集成电 路(SSI) 中规模集成电 路(MSI)

元器件数目 <100

? 按电路的功能分: ? 数字集成电路 ? 模拟集成电路

100~3000
3000~10万 10万~几十亿

? 按晶体管结构、电路和工艺分: 大规模集成电 ? 双极型(Bipolar)电路 路(LSI) ? 金属氧化物半导体(MOS)电路 ? ·· ·· ·· 超大规模集成

? 按集成度(芯片中包含的元器件

电路(VLSI) 极大规模集成 电路(ULSI)

数目)分:

>100万

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第1章 信息技术概述

(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。

集成电路的制造过程 —制造业—

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第1章 信息技术概述

集成电路的制造过程
硅抛光片 硅平面工艺

晶圆 检测、分类

芯片 封装 集成电路 成品测试 成品

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”
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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”

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

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
第1章 信息技术概述

集成电路生产线

? 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
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第1章 信息技术概述

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

FC-PGA2

封装方式

(Pentium 4

处理器)

集成电路插座

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第1章 信息技术概述

(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。

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
? 酷睿2双核 (2006) 291~410M晶体管 ? 酷睿2四核 (2007) 820M 晶体管 ? Core i7 六核(2010) >10亿 晶体管
80486 80386 80286 8086 8080

晶体管数
CORE i7 CORE 2 Quad CORE 2 Duo Pentium 4 Pentium III Pentium II

1000x106 100x106 10x106 106 100 000 10 000

Pentium

8008 4004

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

1 000 2010

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第1章 信息技术概述

集成电路技术的发展趋势
? 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

1999
工艺(μm) 0.18

2001
0.13

2004
0.09

2008
0.045

2010
0.032

2014
0.014

晶体管(M)
时钟频率(GHz) 面积(mm2) 连线层数

23.8
1.2 340 6

47.6
1.6 340 7

135
2.0 390 8

539
2.655 468 9

1000
3.8 600 9

3500
10 901 10

晶圆直径(英寸)

12

12

14

16

16

18

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第1章 信息技术概述

进一步提高集成度的问题与出路
?

问题:
?

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

?

出路:
?

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

?

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

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第1章 信息技术概述

(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。

什么是 IC卡?
? IC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 ? 特点:
? ?

?
? ?

存储信息量大 保密性能强 可以防止伪造和窃用 抗干扰能力强 可靠性高

? 应用举例: ? 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) ? 作为电子钱包(如电话卡、公交卡、加油卡等)
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第1章 信息技术概述

IC卡的类型(按芯片分类)
? 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)
? CPU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

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第1章 信息技术概述

IC卡的类型(按使用方式分类)
? 接触式IC卡(如电话IC卡) ? 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。 ? 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

接触式IC卡

? 非接触式IC卡(射频卡、感应卡) ? 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 ? 操作方便,快捷,采用全密封胶固化,防水、 防污,使用寿命长 ? 用于读写信息较简单的场合,如身份验证等

接触式IC卡的结构

非接触式IC卡

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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 当IC卡处在读卡器有效范围(一般为 5~10cm)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
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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)
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
? 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 :
?

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,以进一步 提高防伪性能 数字管理功能:
?

?

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

?

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
第1章 信息技术概述

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选学:

什么是电子标签(RFID)?
? 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
? 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

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第1章 信息技术概述

选学:

RFID应用举例(1)
? 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

天线

电子标签

阅读器

使用RFID的车辆电子收费系统
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第1章 信息技术概述

选学:

RFID应用举例(2)
(4) (5)

(4)

(3)

(2)

(2)
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(1)

使用RFID的图书馆管理系统
第1章 信息技术概述


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