1、1集成电路原理与应用导论集成电路原理与应用导论（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（扩展）卡（扩展）(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3什么是电子电路？什么是电子电路？电路板电路板电子电路由电阻，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，
2、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4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
3、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)5什么是集成电路？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
4、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6各种各样的集成电路各种各样的集成电路7IC是所有电子产品的核心是所有电子产品的核心8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
5、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
6、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。10制造业制造业集成电路的制造过程集成电路的制造过程11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
7、，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
8、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12集成电路生产线集成电路生产线n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 13FC-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
9、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。15 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
10、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 00010610 x106100 x10640048008808080868028680386PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数8048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2
11、QuadCORE i716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(mm2)340340390468600901连线层数连线层数6789910晶圆直径晶圆直径(英寸英寸)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
12、圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片17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线宽进一步缩小后，晶体管线条小到线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级纳米级时，其电流微弱到时，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法正常工作n出路：出路：n在在纳米尺寸纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应量子现象和效应，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量子器件，使，使能开发出新的能开发出新
13、的纳米芯片纳米芯片和和量子计算机量子计算机n同时，正在研究将同时，正在研究将光光作为信息的载体，发展光子学，研制作为信息的载体，发展光子学，研制集成集成光路光路，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 (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、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。19什么是什么是 IC卡？卡？nIC
14、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
15、包（如电话卡、公交卡、加油卡等）（如电话卡、公交卡、加油卡等）20IC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、水电费卡、公交卡、医一定安全措施。用于电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等疗卡等（带加密逻辑的存储器卡（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路增加了加密电路）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
16、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。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21IC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。个镀金触点。使用时必须将使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。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、读写操作比较复杂的场合,但易但易磨损
17、、怕脏、寿命短磨损、怕脏、寿命短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采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源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（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、操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、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22非接触式非接触式IC卡的工作原理（扩展）卡的工作原理（扩展）读卡器发出一组固定读卡器发出一组固定频率的
18、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，P
19、C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23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
20、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、电子商务等方面发挥重要作用发挥重要作用 24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，
21、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，送至中央信息系统进行有关数据处理25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
22、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26（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27人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。
