《大學計算機基礎》課件第1章1.3 微電子技術

第1章信息技術概述1.3微電子技術簡介1.3微電子技術簡介（1）微電子技術與集成電路（2）集成電路的制造（3）集成電路的發(fā)展趨勢（4）IC卡(1)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鍵技術，是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)和各項高技術的基礎微電子技術的核心是集成電路技術什么是電子電路？電路板電子電路由電阻，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、變換或傳輸?shù)裙δ苓^去，電路由單個元器件（分立元件）和電線連接而成，現(xiàn)在則大多制作成集成電路形式電子電路中元器件的發(fā)展演變晶體管(1948)中/小規(guī)模集成電路(1950’s)微電子技術是以集成電路為核心的電子技術，它是在電子元器件小型化、微型化的過程中發(fā)展起來的。大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路(1970’s)電子管(1904)什么是集成電路？集成電路

(IntegratedCircuit，簡稱IC)： 以半導體單晶片作為基片,采用平面工藝，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微型化的電路或系統(tǒng)集成電路的優(yōu)點：體積小、重量輕功耗小、成本低速度快、可靠性高超大規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路各種各樣的集成電路IC是所有電子產(chǎn)品的核心集成電路的分類按用途分：通用集成電路專用集成電路（ASIC）按電路的功能分：數(shù)字集成電路模擬集成電路按晶體管結構、電路和工藝分：雙極型（Bipolar）電路金屬氧化物半導體(MOS)電路······按集成度(芯片中包含的元器件數(shù)目)分：集成電路規(guī)模元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路（SSI）＜100中規(guī)模集成電路（MSI）100~3000大規(guī)模集成電路（LSI）3000~10萬超大規(guī)模集成電路（VLSI）10萬~幾十億極大規(guī)模集成電路（ULSI）＞100萬(2)集成電路的制造(選學)集成電路的制造工序繁多，從原料熔煉開始到最終產(chǎn)品包裝大約需要400多道工序，工藝復雜且技術難度非常高，有一系列的關鍵技術。許多工序必須在恒溫、恒濕、超潔凈的無塵廠房內(nèi)完成。興建一個有兩條生產(chǎn)線能加工8英寸晶圓的集成電路工廠需投資人民幣10億元以上?！圃鞓I(yè)—集成電路的制造過程晶片封裝硅錠切開的晶片切片硅拋光片氧化、光刻、摻雜等處理晶圓測試后的晶片晶片切割晶片測試集成電路成品成品測試封裝后的晶片集成電路的制造過程硅拋光片單晶硅錠單晶硅錠經(jīng)切割、研磨和拋光后制成鏡面一樣光滑的圓形薄片，稱為“硅拋光片”晶圓硅平面工藝硅平面工藝包括氧化、光刻、摻雜和互連等工序，最終在硅片上制成包含多層電路及電子元件的集成電路。通常每一硅拋光片上可制作成百上千個獨立的集成電路，這種整整齊齊排滿了集成電路的硅片稱作“晶圓”晶片檢測、分類集成電路封裝對晶圓上的每個電路進行檢測，然后將晶圓切開成小片，把合格的電路分類，再封裝成一個個獨立的集成電路成品測試成品進行成品測試，按其性能參數(shù)分為不同等級，貼上規(guī)格型號及出廠日期等標簽，成品即可出廠集成電路生產(chǎn)線集成電路產(chǎn)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12英寸超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線Corei7/i5/i3CPU的LGA封裝）主板上的CPU插座集成電路的封裝集成電路封裝目的：電功能、散熱功能、機械與化學保護功能(3)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。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管數(shù)目就越多。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。IC集成度提高的規(guī)律Moore定律：單塊集成電路的集成度平均每18個月翻一番(GordonE.Moore,1965年)例：Intel微處理器集成度的發(fā)展酷睿2雙核

（2006） 291～410M晶體管酷睿2四核

（2007） 820M晶體管Corei7六核（2010）>10億晶體管100019701975198019851990199520001000010000010610x106100x10640048008808080868028680386PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶體管數(shù)8048620101000x106CORE2DuoCORE2QuadCOREi7集成電路技術的發(fā)展趨勢199920012004200820102017工藝(nm)18013090453214~10晶體管(M)23.847.613553910008000時鐘頻率(GHz)1.21.62.02.6553.85面積(mm2)340340390468600901連線層數(shù)6789910晶圓直徑(英寸)121214161616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(chǎn)更多的芯片注：XX納米（nm），指芯片中電路連線的線寬尺寸，尺寸越小，集成度就越高我國集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對外依存度過高，特別是CPU、存儲器等高端集成電路2017年集成電路進口量高達3700多億塊，進口額約為2601億美元，接近原油進口額的兩倍。目前我國集成電路是系統(tǒng)性、全方位落后于發(fā)達國家，整體提升和全面超越必須從基礎研究和人才培養(yǎng)做起，還需要一定的時間。隨著國產(chǎn)整機品牌的壯大，國內(nèi)芯片企業(yè)比歐美同行有更大的市場需求和更多的發(fā)展機會。國家政策自上而下的重視、資本自下而上的助推，我國的芯片產(chǎn)業(yè)將已經(jīng)迎來新的發(fā)展機遇。(4)IC卡簡介幾乎每個人每天都與IC卡打交道，例如我們的身份證、手機SIM卡、公交卡、校園卡等，什么是IC卡？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。什么是IC卡？IC卡(chipcard、smartcard)，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(nèi)，使其成為能存儲信息、處理和傳遞數(shù)據(jù)的載體特點：存儲信息量大保密性能強可以防止偽造和竊用抗干擾能力強可靠性高應用舉例：作為電子證件，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）作為電子錢包（如校園卡、公交卡、加油卡等）IC卡的類型(按芯片分類)存儲器卡：封裝的集成電路為存儲器，信息可長期保存，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、校園卡、公交卡等CPU卡：封裝的集成電路為中央處理器（CPU）和存儲器，還配有芯片操作系統(tǒng)(ChipOperatingSystem)，處理能力強，保密性更好，常用作銀行卡和信用卡使用。手機中使用的SIM卡就是一種專用的CPU卡CPU卡舉例：手機的SIM卡作用：保存?zhèn)€人識別碼、加密密鑰及用戶的電話簿等信息在開機接入通信網(wǎng)絡時進行身份認證SIM卡由5部分組成：CPU(8位/16位/32位)程序存儲器ROM工作存儲器RAM數(shù)據(jù)存儲器EEPROM串行通信單元IC卡的類型(按使用方式分類)接觸式IC卡(如電話IC卡)表面有方型鍍金接口，共8個或6個鍍金觸點。使用時必須將IC卡插入讀卡機，通過金屬觸點傳輸數(shù)據(jù)。用于信息量大、讀寫操作比較復雜的場合,但易磨損、怕臟、壽命短非接觸式IC卡(稱為射頻卡、感應卡)采用電磁感應方式無線傳輸數(shù)據(jù)，解決了無源（卡中無電源）和免接觸問題操作方便，快捷，采用全密封膠固化，防水、防污，使用壽命長用于讀寫信息較簡單的場合，如身份驗證等雙界面卡：既可通過接觸方式的觸點，也可相隔一定距離以射頻方式使用的IC卡

接觸式IC卡非接觸式IC卡雙界面卡銀行IC卡雙界面CPU卡：32位的CPU（ARM公司SC-100）256KB的只讀存儲器（ROM）用于存放芯片操作系統(tǒng)（COS）10KB的內(nèi)存（RAM）在執(zhí)行程序時用于存放數(shù)據(jù)144KB的EEPROM是存放應用程序和數(shù)據(jù)的輔助存儲器具有數(shù)據(jù)安全功能，集成了我國商用密碼算法SSF33、SM1、SM3、SM7和美國數(shù)據(jù)加密標準DES/3DES、RSA（2048位）等硬件協(xié)處理器非接觸式IC卡的工作原理（選學）讀卡器發(fā)出一組固定頻率的無線電波(射頻信號)，通過天線向外發(fā)射IC卡激活后，通過輻射電磁信號將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去(或接收讀卡器送來的數(shù)據(jù))當IC卡處在讀卡器有效范圍(一般為5~10cm)內(nèi)時，卡內(nèi)的一個LC串聯(lián)諧振電路(諧振頻率相同的)便產(chǎn)生電磁共振，使電容充電，從而為卡內(nèi)其它電路提供2V的工作電壓讀卡器收到數(shù)據(jù)后，通過接口將IC卡數(shù)據(jù)傳送給PC，PC將判斷該卡的合法性，作出相應處理選學：

非接觸式IC卡在身份證中的使用第二代身份證使用非接觸式CPU卡，可實現(xiàn)“電子防偽”和“數(shù)字管理”兩大功能：電子防偽措施：個人數(shù)據(jù)和人臉圖像經(jīng)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。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數(shù)字管理功能：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，使二代證在公共安全、社會管理、電子政務、電子商務等方面發(fā)揮重要作用選學：

什么是電子標簽(RFID)？電子標簽RFID(RadioFrequencyIdentification)，即射頻標識技術，用于控制、檢測和跟蹤物體標簽進入閱讀器磁場的有效范圍后，發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(無源標簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(有源標簽)；閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理選學：