1、第第1章章 信息技术概述信息技术概述1.3 微电子技术简介微电子技术简介2第1章 信息技术概述1.3 微电子技术简介微电子技术简介（1）微电子技术与集成电路）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势）集成电路的发展趋势（4）IC卡卡(1)(1)微电子技术与集成电路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4第1章 信息技术概述什么是电子电路？什么是电子电路？电路板电路
2、板电子电路由电阻，电容，电感和二电子电路由电阻，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、变流动，完成信号的生成、放大、变换或传输等功能换或传输等功能过去，电路由单个过去，电路由单个元器件（分立元件）元器件（分立元件）和电线连接而成，和电线连接而成，现在则大多制作成现在则大多制作成集成电路形式集成电路形式5第1章 信息技术概述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子技术是
3、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、微型化的过程中它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。发展起来的。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)6第1章 信息技术概述什么是集成电路？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化的电路
4、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7第1章 信息技术概述各种各样的集成电路各种各样的集成电路8第1章 信息技术概述IC是所有电子产品的核心是所有电子产品的核心9第1章 信息技术概述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
5、、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）10万万几十亿几十亿极大规模集成极大规模集成电路（电路（ULSI）100万万(2)(2)集成电路的制造集成电路的制造( (选学选学) ) 集成电路的制造工序繁多，从原
6、料熔炼开始到最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终产品包装大约需要400400多道工序多道工序，工艺复杂且技，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。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兴建一个有两条生产线能加工8 8英寸晶圆的集成英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币电路工厂需投资人民币1010亿元以上。亿元以上。 11第1章 信息技术概述制造业制造业集成电路的制造过程集成电路的制造过程晶片晶片封装封装硅锭硅锭切开的晶片切开的晶片切片切片硅
7、抛光片硅抛光片氧化、光刻、掺氧化、光刻、掺杂等杂等处理处理晶圆晶圆测试后的晶片测试后的晶片晶片晶片切割切割晶片晶片测试测试集成电路成品集成电路成品成品成品测试测试封装后的晶片封装后的晶片12第1章 信息技术概述集成电路的制造过程集成电路的制造过程硅抛光片硅抛光片单单晶晶硅硅锭锭单晶硅锭经切单晶硅锭经切割、研磨和抛割、研磨和抛光后制成镜面光后制成镜面一样光滑的圆一样光滑的圆形薄片，称为形薄片，称为“硅抛光片硅抛光片”硅平面工艺包括氧化、光刻、硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常电子元件的
8、集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作的硅片称作“晶圆晶圆”对晶圆上的每个对晶圆上的每个电路进行检测，电路进行检测，然后将晶圆切开然后将晶圆切开成小片，把合格成小片，把合格的电路分类，再的电路分类，再封装成一个个独封装成一个个独立的集成电路立的集成电路进行成品测试，进行成品测试，按其性能参数按其性能参数分为不同等级，分为不同等级，贴上规格型号贴上规格型号及出厂日期等及出厂日期等标签，成品即标签，成品即可出厂可出厂13第1章 信息技术概述集成电路生产线集成电路生产线n
9、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际集成电路有限公司12英寸超大规模集成电路生产线英寸超大规模集成电路生产线 14第1章 信息技术概述Core i7/i5/i3 CPUCore i7/i5/i3 CPU的的LGALGA封装）封装） 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(3)(3)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
10、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。 16第1章 信息技术概述2022-5-151617第1章 信息技术概述 IC集成度提高的规律集成度提高的规律Moore定律定律：单块集成电路的集成度平均每单块集成电路的集成度平均每18个月个月翻一番翻一番 (Gordon E.Moo
11、re,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 00010610 x106100 x10640048008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数8048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2 Qu
12、adCORE i718第1章 信息技术概述集成电路技术的发展趋势集成电路技术的发展趋势199920012004200820102017工艺工艺(nm)1801309045321410晶体管晶体管(M)23.847.613553910008000时钟频率时钟频率(GHz)1.21.62.02.6553.85 面积面积(mm2)340340390468600901连线层数连线层数6789910晶圆直径晶圆直径(英寸英寸)121214161616 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
13、面积：使每块晶圆能生产更多的芯片注：注：XX纳米（纳米（nm），指芯片中电路连线的线宽尺寸，尺寸越小，集成度就越高），指芯片中电路连线的线宽尺寸，尺寸越小，集成度就越高 19第1章 信息技术概述我国集成电路产业现状我国集成电路产业现状 n对外依存度过高，特别是对外依存度过高，特别是CPU、存储器等高端集成电路、存储器等高端集成电路n2017年集成电路进口量高达年集成电路进口量高达3700多亿块，进口额约为多亿块，进口额约为2601亿美元，接近原油进口额的两倍。亿美元，接近原油进口额的两倍。n目前我国集成电路是系统性、全方位落后于发达国家，目前我国集成电路是系统性、全方位落后于发达国家，整体提升
14、和全面超越必须从基础研究和人才培养做起，整体提升和全面超越必须从基础研究和人才培养做起，还需要一定的时间。还需要一定的时间。n随着国产整机品牌的壮大，国内芯片企业比欧美同行有随着国产整机品牌的壮大，国内芯片企业比欧美同行有更大的市场需求和更多的发展机会。更大的市场需求和更多的发展机会。n国家政策自上而下的重视、资本自下而上的助推，我国国家政策自上而下的重视、资本自下而上的助推，我国的芯片产业将的芯片产业将已经已经迎来新的发展机遇。迎来新的发展机遇。 (4) IC卡简介卡简介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
15、、公交卡、校园卡等，什么是卡、公交卡、校园卡等，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。21第1章 信息技术概述什么是什么是 IC卡？卡？nIC卡卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把，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、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
16、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作为作为电子证件电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、，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）考勤卡、医疗卡、住房卡等）n作为作为电子钱包电子钱包（如校园卡、公交卡、加油卡等）（如校园卡、公交卡、加油卡等）22第1章 信息技术概述IC卡的类型卡的类型(按芯片分类按芯片分类)n存储器卡：存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保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、校园卡、公交卡等
17、一定安全措施。用于电话卡、校园卡、公交卡等nCPU卡：卡：封装的集成电路为中央处理器（封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存）和存储器，还配有芯片操作系统储器，还配有芯片操作系统(Chip Operating System)，处理能力强，保密性更好，常用作银行卡和信用卡使处理能力强，保密性更好，常用作银行卡和信用卡使用。手机中使用的用。手机中使用的SIM卡就是一种专用的卡就是一种专用的CPU卡卡23第1章 信息技术概述CPU卡举例：手机的卡举例：手机的SIM卡卡n作用：作用：n保存个人识别码、加密密钥及用户的电话簿等信息保存个人识别码、加密密钥及用户的电话簿等信息n在开机接入通信网络时进行身
18、份认证在开机接入通信网络时进行身份认证nSIM卡由卡由5部分组成：部分组成：nCPU(8位位/16位位/32位位)n程序存储器程序存储器ROMn工作存储器工作存储器RAMn数据存储器数据存储器EEPROMn串行通信单元串行通信单元24第1章 信息技术概述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表面有方型镀金接口，共表面有方型镀金接口，共8个或个或6个镀金触点。使用时个镀金触点。使用时必须将必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。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用于信息量大、读写操作比较复
19、杂的场合,但易磨损、但易磨损、怕脏、寿命短怕脏、寿命短n非接触式非接触式IC卡卡(称为射频卡、感应卡称为射频卡、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，操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长使用寿命长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n双界面卡双界面卡：既可通过接触方式的触点，也可相隔一：既可通过接触方式的触点，也可相隔一定距离以射频方式使用的定距离以射频方式使用的IC卡卡 接触式接触
20、式IC卡卡非接触式非接触式IC卡卡双界面卡双界面卡25第1章 信息技术概述银行银行IC卡卡 n双界面双界面CPU卡：卡：n32位的位的CPU（ARM公司公司SC-100）n256KB的只读存储器（的只读存储器（ROM）用于存放芯片操作系统（）用于存放芯片操作系统（COS）n10KB的内存（的内存（RAM）在执行程序时用于存放数据）在执行程序时用于存放数据n144KB的的EEPROM是存放应用程序和数据的辅助存储器是存放应用程序和数据的辅助存储器n具有数据安全功能，集成了我国商用密码算法具有数据安全功能，集成了我国商用密码算法SSF33、SM1、SM3、SM7和美国数据加密标准和美国数据加密标准
21、DES/3DES、RSA（2048位）等硬件协位）等硬件协处理器处理器26第1章 信息技术概述非接触式非接触式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
22、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将判断该卡将判断该卡的合法性，作出相应处理的合法性，作出相应处理27第1章 信息技术概述选学：选学： 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
23、中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。还可片中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。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防伪性能n数字管理功能：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
24、发挥重要作用发挥重要作用 28第1章 信息技术概述选学：选学： 什么是电子标签什么是电子标签(RFID)？n电子标签电子标签RFID(Radio Frequency Identification) ，即射频标识技术，用，即射频标识技术，用于控制、检测和跟踪物体于控制、检测和跟踪物体 n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( (无源标签无源标签) )，或者主动发送某一频率的信号，或者主动发送某一频率的信号( (有源标签有源标签) )；阅读器读取；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信息并解码后
25、，送至中央信息系统进行有关数据处理29第1章 信息技术概述选学：选学： RFID应用举例（应用举例（1）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，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进行处理进行处理使用使用RFID的车辆电子收费系统的车辆电子收费系统30第1章 信息技术概述（2）（3）（4）（5）（4）（1）（2）选学：选学： RFID应用举例（应用举例（2）使用使用RFID的图书馆管理系统的图书馆管理系统31第1章 信息技术概述2022-5-1531
