大学信息技术基础1.5微电子技术基础.ppt

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1、11.5 微电子技术基础1.5 微电子技术基础微电子技术基础（1）微电子技术）微电子技术（2）集成电路）集成电路（3）集成电路卡机电子标签）集成电路卡机电子标签（4）集成电路发展趋势）集成电路发展趋势 微电子技术微电子技术 微电子技术是信息技术领域中的关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键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础高技术的基础 微电子技术的核心是集成电路技术微电子技术的核心是集成电路技术31.5 微电子技术基础电子电路中元器件的发展演变电子电路中元器件的发展演变晶体管晶体管(1948)中中/小规模小规模集成电路集成电路(1950s)微电子技术是以微电

2、子技术是以集成电路集成电路为核心的电子技术，为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。展起来的。大规模大规模/超大规模超大规模集成电路集成电路(1970s)电子管电子管(1904)41.5 微电子技术基础什么是集成电路？什么是集成电路？n集成电路集成电路(Integrated Circuit，简称，简称IC)：以半导体单晶片作为基片以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线将晶体管、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所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型

3、化的电路或系统微型化的电路或系统n集成电路的优点：集成电路的优点：n体积小、重量轻体积小、重量轻n功耗小、成本低功耗小、成本低n速度快、可靠性高速度快、可靠性高超大规模集成电路超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路51.5 微电子技术基础FC-PGA2 FC-PGA2 封装方式封装方式（Pentium 4 Pentium 4 处理器）处理器）集成电路插座集成电路插座集成电路插座集成电路插座集成电路的集成电路的封装封装集成电路集成电路封装目的：封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能电功能、散热功能、机械与化学保护功能61.5 微电子技术基础IC是所有电子产品的核心是所有电子产品的核

4、心71.5 微电子技术基础集成电路的分类集成电路的分类n按用途分：按用途分：n通用集成电路通用集成电路n专用集成电路专用集成电路（ASIC）n按电路的功能分：按电路的功能分：n数字集成电路数字集成电路n模拟集成电路模拟集成电路n按晶体管结构、电路和工艺分：按晶体管结构、电路和工艺分：n双极型（双极型（Bipolar）电路）电路n金属氧化物半导体金属氧化物半导体(MOS)电路电路n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数目数目)分：分：集成电路规模集成电路规模元器件数目元器件数目小规模集成电小规模集成电路（路（SSI）100中规模集成电中规模集成电路（路（MSI）1003000大

5、规模集成电大规模集成电路（路（LSI）300010万万超大规模集成超大规模集成电路（电路（VLSI）10万万几十几十亿亿极大规模集成极大规模集成电路（电路（ULSI）100万万 IC卡与卡与RFID几乎每个人每天都与几乎每个人每天都与ICIC卡打交道，例如我们的身份卡打交道，例如我们的身份证、手机证、手机SIMSIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是卡、交通卡、饭卡等等，什么是ICIC卡？卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下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。面是简单介绍。91.5 微电子技术基础什么是什么是 IC卡？卡？nIC卡卡(chip card、smart

6、card)，又又称称为为集集成成电电路路卡卡，它它是是把把集集成成电电路路芯芯片片密密封封在在塑塑料料卡卡基基片片内内，使使其其成成为为能能存存储储信信息息、处理和传递数据的载体处理和传递数据的载体n特点：特点：n存储信息量大存储信息量大n保密性能强保密性能强n可以防止伪造和窃用可以防止伪造和窃用n抗干扰能力强抗干扰能力强n可靠性高可靠性高n应用举例：应用举例：n作作为为电电子子证证件件，记记录录持持卡卡人人的的信信息息，用用作作身身份份识识别别（如如身身份份证证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）考勤卡、医疗卡、住房卡等）n作为作为电子钱包电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）（如电话卡、公交卡、加

7、油卡等）101.5 微电子技术基础IC卡的类型卡的类型(按芯片分类按芯片分类)n存存储储器器卡卡：封封装装的的集集成成电电路路为为存存储储器器，信信息息可可长长期期保保存存，也也可可通通过过读读卡卡器器改改写写。结结构构简简单单，使使用用方方便便。用用于于安安全全性性要要求求不不高高的的场场合合，如如电电话话卡卡、水水电电费费卡卡、公公交卡、医疗卡等交卡、医疗卡等（带带加加密密逻逻辑辑的的存存储储器器卡卡增增加加了了加加密电路密电路）nCPU卡卡：封封装装的的集集成成电电路路为为中中央央处处理理器器（CPU）和和存存储储器器，还还配配有有芯芯片片操操作作系系统统(Chip Operating

8、System)，处处理理能能力力强强，保保密密性性更更好好，常常用用作作证证件件和和信信用用卡卡使使用。手机中使用的用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的卡就是一种特殊的CPU卡。卡。111.5 微电子技术基础IC卡的类型卡的类型(按使用方式分类按使用方式分类)n接触式接触式IC卡卡(如电话如电话IC卡卡)n表表面面有有方方型型镀镀金金接接口口，共共8个个或或6个个镀镀金金触触点点。使使用用时时必必须须将将IC卡卡插插入入读读卡卡机机，通通过过金金属属触触点点传输数据。传输数据。n用用于于信信息息量量大大、读读写写操操作作比比较较复复杂杂的的场场合合,但但易易磨损、怕脏、寿命短磨损、怕脏、寿命

9、短n非接触式非接触式IC卡卡(射频卡、感应卡射频卡、感应卡)n采采用用电电磁磁感感应应方方式式无无线线传传输输数数据据，解解决决了了无无源源（卡中无电源）和免接触问题（卡中无电源）和免接触问题n操操作作方方便便，快快捷捷，采采用用全全密密封封胶胶固固化化，防防水水、防污，使用寿命长防污，使用寿命长n用于读写信息较简单的场合，如身份验证等用于读写信息较简单的场合，如身份验证等 接触式接触式IC卡卡接触式接触式IC卡的结构卡的结构非接触式非接触式IC卡卡121.5 微电子技术基础非接触式非接触式IC卡的工作原理（选学）卡的工作原理（选学）读卡器发出一组固定读卡器发出一组固定频率的无线电波频率的无线

10、电波(射频射频信号信号)，通过天线向外，通过天线向外发射发射IC卡激活后，通过辐射电卡激活后，通过辐射电磁信号将卡内数据发射出磁信号将卡内数据发射出去去(或接收读卡器送来的数或接收读卡器送来的数据据)当当IC卡处在读卡器有效范围卡处在读卡器有效范围(一般为一般为510cm)内时，卡内的一个内时，卡内的一个LC串联谐串联谐振电路振电路(谐振频率相同的谐振频率相同的)便产生电磁便产生电磁共振，使电容充电，从而为卡内其它共振，使电容充电，从而为卡内其它电路提供电路提供2V的工作电压的工作电压读卡器收到数据后，通过接口将读卡器收到数据后，通过接口将IC卡数据传送给卡数据传送给PC，PC将判断该卡将判断

11、该卡的合法性，作出相应处理的合法性，作出相应处理131.5 微电子技术基础 非接触式非接触式IC卡在身份证中的使用卡在身份证中的使用n第二代身份证使用非接触式第二代身份证使用非接触式CPU卡，可实现卡，可实现“电子防伪电子防伪”和和“数字管理数字管理”两大功能两大功能：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提高防伪性能n数

12、字管理功能：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，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发挥重要作用 141.5 微电子技术基础 RFID及其应用及其应用电子标签电子标签天线天线阅读器阅读器n 当电子标签进入阅读器当电子标签进入阅读器的磁场后，它接收阅读器的磁场后，它接收阅读器发出的射频信号，

13、凭借感发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量，发应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的信息，送出存储在芯片中的信息，由阅读器读取，然后送由阅读器读取，然后送CPUCPU进行处理进行处理 集成电路的发展趋势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。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。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所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶

14、体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。161.5 微电子技术基础IC集成度提高的规律集成度提高的规律Moore定定律律：单单块块集集成成电电路路的的集集成成度度平平均均每每18个个月月翻一番翻一番 (Gordon E.Moore,1965年年)例例：Intel微处理器集成度的发展微处理器集成度的发展n酷睿酷睿2双核双核（2006）291410M晶体管晶体管n酷睿酷睿2四核四核（2007）820M 晶体管晶体管nCore i7 六核（六核（2010）10亿亿 晶体管晶体管1 000197019751980198519901995200010 000100

15、 00010610 x106100 x10640048008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数8048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2 QuadCORE i7171.5 微电子技术基础集成电路技术的发展趋势集成电路技术的发展趋势199920012004200820102014工艺工艺(m)0.180.130.090.0450.0320.014晶体管晶体管(M)23.847.613553910003500时钟频率时钟频率(GHz)1.21.62.02.6553.810面积面积(

16、mm2)340340390468600901连线层数连线层数6789910晶晶圆圆直直径径(英英寸寸)121214161618 减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸减小蚀刻尺寸，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增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片181.5 微电子技术基础Intel CPU芯片工艺的进展芯片工艺的进展191.5 微电子技术基础进一步提高集成度的问题与出路进一步提高集成度的问题与出路n问题：问题：n线线宽宽进进一一步步缩缩小小后后，晶晶体体管管线线条条小小到到纳纳米米级级时时，其其电电流流微微弱弱到到仅仅有有几几十十个个甚甚至至几几个个电电子子流流动动，晶晶体体管管将将逼逼近近其其物物理理极极限限而无法正常工作而无法正常工作n出路：出路：n在在纳纳米米尺尺寸寸下下，纳纳米米结结构构会会表表现现出出一一些些新新的的量量子子现现象象和和效效应应，人人们们正正在在利利用用这这些些量量子子效效应应研研制制具具有有全全新新功功能能的的量量子子器器件件，使能开发出新的使能开发出新的纳米芯片纳米芯片和和量子计算机量子计算机n同同时时，正正在在研研究究将将光光作作为为信信息息的的载载体体，发发展展光光子子学学，研研制制集集成光路成光路，或把电子与光子并用，实现，或把电子与光子并用，实现光电子集成光电子集成