大学信息技术基础1.5微电子技术基础.ppt

1 1.5 微电子技术基础 1.5 微电子技术基础 （1）微电子技术 （2）集成电路 （3）集成电路卡机电子标签 （4）集成电路发展趋势 微电子技术 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 3 1.5 微电子技术基础 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) 4 1.5 微电子技术基础 什么是集成电路？ 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 5 1.5 微电子技术基础 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 6 1.5 微电子技术基础 IC是所有电子产品的核心 7 1.5 微电子技术基础 集成电路的分类 n按用途分： n通用集成电路 n专用集成电路（ASIC ） n按电路的功能分： n数字集成电路 n模拟集成电路 n按晶体管结构、电路和工艺 分： n双极型（Bipolar）电 路 n金属氧化物半导体 (MOS)电路 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） 10万几十亿 极大规模集成 电路（ULSI） 100万 IC卡与RFID 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。 9 1.5 微电子技术基础 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： 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） 10 1.5 微电子技术基础 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。 11 1.5 微电子技术基础 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 12 1.5 微电子技术基础 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 13 1.5 微电子技术基础 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：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 14 1.5 微电子技术基础 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 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。 16 1.5 微电子技术基础 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 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 1 000 1970197519801985199019952000 10 000 100 000 106 10x106 100x106 4004 8008 8080 8086 80286 80386 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4 晶体管数 80486 2010 1000x106 CORE 2 Duo CORE 2 Quad CORE i7 17 1.5 微电子技术基础 集成电路技术的发展趋势 199 9 2001 2004 2008 2010 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 18 1.5 微电子技术基础 Intel CPU芯片工艺的进展 19 1.5 微电子技术基础 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