第1章13-微电子技术课件.ppt

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什么是微电子技术？什么是微电子技术？微电子技术是实现电子电路和电子系微电子技术是实现电

2、子电路和电子系统超小型化及微型化的技术，它是以集统超小型化及微型化的技术，它是以集成电路为成电路为的电子技术。的电子技术。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)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)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

3、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IC是所有电子产品的核心是所有电子产品的核心中文中文名称名称英文英文简称简称英文全称英文全称集成度集成度集成集成对象对象小规模小规模集成电路集成电路SSISmall scale Integration 100万）万）集成电路按它所包含的集成电路按它所包含的电子元件数目电子元件数目进行分类进行分类集成电路的其他分类集成电

4、路的其他分类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微电子技术与集成电路n集成电路芯片是微电子技术的结晶，它们是计集成电路芯片是微电子技术的结晶，它们是计算机和通信设备的核心。算机和通信设备的核心。利用计算机进行集成电路的设利用计算机进行集成电路的设计、生产过程控制及自动测试，又能制造出性计、生产过程控制及自动测

5、试，又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片能高、成本更低的集成电路芯片微电子技术与集成电路(续)n集成电路是现代信息产业和信息社会的集成电路是现代信息产业和信息社会的基础基础n集成电路是改造和提升传统产业的集成电路是改造和提升传统产业的核心技术核心技术 2000年世界半导体产值达年世界半导体产值达2000亿美元亿美元 电子信息产品市场总额超过电子信息产品市场总额超过1万亿美元万亿美元n据预测据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长率：未来十年内世界半导体的年平均增长率将达将达15%以上，以上，2010年全世界半导体的年销售年全世界半导体的年销售额可达到额可达到60008000亿美元，将支持亿

6、美元，将支持45万亿美万亿美元的电子装备市场。元的电子装备市场。(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。目前兴建一个有两条生产线能加工目前兴建一个有两条生产线能加工8 8英寸晶圆的英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币集成电路工厂需投资人民币101

7、0亿元以上。亿元以上。集成电路的制造集成电路的制造(阅读材料阅读材料1.5)(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。IC集成度提高的规律集

8、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个月翻一番个月翻一番 (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 00010610 x106100 x10640048008808080868028680386PentiumPentium I

9、IPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数8048620101000 x106CORE 2 DuoCORE 2 QuadCORE i7IC技术发展技术发展增大晶圆面积增大晶圆面积n增大硅晶圆的面积：使每块增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片晶圆能生产更多的芯片n比如，使用比如，使用0.13微米的工艺微米的工艺在在200mm的晶圆上可以生的晶圆上可以生产大约产大约179个处理器核心，个处理器核心，而使用同样工艺在而使用同样工艺在300mm的晶圆可以制造大约的晶圆可以制造大约427个个处理器核心，而实际成本处理器核心，而实际成本提高不多提高不多 IC技术发展技术发展减小蚀刻

10、尺寸减小蚀刻尺寸n减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸线的尺寸n尺寸越小，开关速度越快，性能越高尺寸越小，开关速度越快，性能越高n相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本越低越低n8086的蚀刻尺寸为的蚀刻尺寸为 3mnPentium的蚀刻尺寸是的蚀刻尺寸是 0.80mnPentium 4的蚀刻尺寸当前是的蚀刻尺寸当前是 0.09m（90纳米）纳米）n酷睿酷睿2双核的蚀刻尺寸为双核的蚀刻尺寸为 0.065m（65纳米）纳米）n酷睿酷睿2四核的蚀刻尺寸为四核的蚀刻尺寸为 0.045m（45纳米）纳米）

11、n酷睿酷睿i7六核的蚀刻尺寸为六核的蚀刻尺寸为 0.032m（32纳米）纳米）Intel CPU芯片工艺的进展芯片工艺的进展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法正常工作近其物理极限而无法正常工作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量子现象和效应和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功，人们正

12、在利用这些量子效应研制具有全新功能的能的量子器件量子器件，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量子计算机机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，作为信息的载体，发展光子学，研制研制集成光路集成光路，或把电子与光子并用，实现，或把电子与光子并用，实现光电子集光电子集成成光子计算机光子计算机光能够像电一样来传递信息，光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，更重要的甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周围环境一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。发生相互干扰的作用。量子计算机量子计算机是运用量子力学来设计的。从理论上说，它

13、们的速度提高是运用量子力学来设计的。从理论上说，它们的速度提高可以说是没有止境的，因为量子计算技术可以在同一时间内执可以说是没有止境的，因为量子计算技术可以在同一时间内执行各种操作，同时有足够的能力来完成现在电子计算机还很难行各种操作，同时有足够的能力来完成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。这是这是因为量子不像半导体只能记录因为量子不像半导体只能记录0与与1，它可以同时表示多种状态。，它可以同时表示多种状态。如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，一次运如果把半导体比成单一乐器，量子电脑就像交响乐团，

14、一次运算可以处理多种不同状况。算可以处理多种不同状况。分子计算机分子计算机 u生物计算机生物计算机实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模型。造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们的健康。也许会纠正它所发现

15、人体的健康。也许会纠正它所发现人体 内哪个地方脂肪的堆积，帮助解决内哪个地方脂肪的堆积，帮助解决 问题。其实每一个细胞实际上都是问题。其实每一个细胞实际上都是 一个复杂的生物机件，一个系统。一个复杂的生物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造生物用这么一种仿生技术来制造生物 计算机。计算机。(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

16、简单介绍。面是简单介绍。什么是什么是 IC卡？卡？nIC卡卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把集，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

17、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、加油卡等）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。用存，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、医疗卡等交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡（带加密逻辑的存储器卡增加了加增加了加密电路密电路）nCPU卡：卡：封装的集成电路为中央处理器（封装的集成电路

18、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。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。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

19、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、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卡卡练习：判断正误练习：判断正误1、F 2

20、、T练习：判断正误练习：判断正误3、F 4、TA.现代集成电路使用的半导体材料主要是硅现代集成电路使用的半导体材料主要是硅B.大规模集成电路一般以功能部件、子系统为集成对大规模集成电路一般以功能部件、子系统为集成对象象C.我国第二代居民身份证中包含有我国第二代居民身份证中包含有IC芯片芯片D.目前超大规模集成电路中晶体管的基本线条已小到目前超大规模集成电路中晶体管的基本线条已小到1纳米左右纳米左右DD本章小结本章小结n信息与信息技术信息与信息技术n信息与信息处理信息与信息处理n信息技术和信息产业信息技术和信息产业n信息化与信息社会信息化与信息社会n数字技术基础数字技术基础n信息的基本单位信息的

21、基本单位比特比特n比特与二进制比特与二进制n信息在计算机中的表示信息在计算机中的表示n比特的运算比特的运算n微电子技术微电子技术n微电子技术与集成电路微电子技术与集成电路n集成电路的制造集成电路的制造n集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势nIC卡卡本章作业本章作业什么是信息技术？它包括哪些方面？什么是信息技术？它包括哪些方面？什么是微电子技术？什么是微电子技术？什么是数字技术什么是数字技术?请画出请画出015的十进制、二进制、八进制、的十进制、二进制、八进制、十六进制的对照表。十六进制的对照表。请写出请写出0、1、127、-1、-127、-128的补的补码形式。（以一个字节为例）码形式。（以一个字节为例）