第1章1.3 微电子技术

第1章 信息技术概述

1.3 微电子技术简介

1.3 微电子技术简介(1)微电子技术与集成电路(2)集成电路的制造 (3)集成电路的发展趋势 (4)IC卡

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第1章 信息技术概述

(1)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 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

电子电路中元器件的发展演变电子管 (1904) 晶体管 (1948) 中/小规模 集成电路 (1950’s) 大规模/超大规模 集成电路(1970’s)

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。4第1章 信息技术概述

什么是集成电路？ 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小规模集成电路

微型化的电路或系统 集成电路的优点：

体积小、重量轻 功耗小、成本低 速度快、可靠性高超大规模集成电路

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第1章 信息技术概述

IC是所有电子产品的核心

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第1章 信息技术概述

集成电路的分类 按用途分： 通用集成电路 专用集成电路(ASIC)

集成电路规模 小规模集成电 路(SSI) 中规模集成电 路(MSI)

元器件数目 <100

按电路的功能分： 数字集成电路 模拟集成电路

100~30003000~10万 10万~几十亿

按晶体管结构、电路和工艺分： 大规模集成电 双极型(Bipolar)电路 路(LSI) 金属氧化物半导体(MOS)电路 ·· ·· ·· 超大规模集成

按集成度(芯片中包含的元器件

电路(VLSI) 极大规模集成 电路(ULSI)

数目)分：

>100万

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第1章 信息技术概述

(2)集成电路的制造(选学) 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400多道工序，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 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8英寸晶圆的 集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。

集成电路的制造流程硅抛光片 硅平面工艺

晶圆 检测、分类

芯片 封装 集成电路 成品测试 成品

单晶 硅锭

单晶硅锭经切 割、研磨和抛 光后制成镜面 一样光滑的圆 形薄片，称为 “硅抛光片”9

硅平面工艺包括氧化、光刻、 掺杂和互连等工序，最终在 硅片上制成包含多层电路及 电子元件的集成电路。通常 每一硅抛光片上可制作成百 上千个独立的集成电路，这 种整整齐齐排满了集成电路 的硅片称作“晶圆”

对晶圆上的每个 电路进行检测， 然后将晶圆切开

成小片，把合格 的电路分类，再 封装成一个个独 立的集成电路

进行成品测试， 按其性能参数 分为不同等级， 贴上规格型号 及出厂日期等 标签，成品即 可出厂第1章 信息技术概述

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

FC-PGA2

封装方式

(Pentium 4

处理器)

集成电路插座

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第1章 信息技术概述

(3)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。

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18~24个 月翻一番 (Gordon E.Moore,1965年)

例：Intel微处理器集成度的发展 酷睿2双核 (2006) 291~410M晶体管 酷睿2四核 (2007) 820M 晶体管 Core i7 六核(2010) >10亿 晶体管80486 80386 80286 8086 8080

晶体管数CORE i7 CORE 2 Quad CORE 2 Duo Pentium 4 Pentium III Pentium II

1000x106 100x106 10x106 106 100 000 10 000

Pentium

8008 4004

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

1 000 2010

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第1章 信息技术概述

集成电路技术的发展趋势 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

1999工艺(μm) 0.18

20010.13

20040.09

20080.045

20100.032

20140.014

晶体管(M)时钟频率(GHz) 面积(mm2) 连线层数

23.81.2 340 6

47.61.6 340 7

1352.0 390 8

5392.655 468 9

10003.8 600 9

350010 901 10

晶圆直径(英寸)

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16

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第1章 信息技术概述

进一步提高集成度的问题与出路

问题：

线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，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法正常工作

出路：

在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件， 使能开发出新的纳米芯片和量子计算机

同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成

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第1章 信息技术概述

(4) IC卡简介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。

什么是 IC卡？ IC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 特点：

存储信息量大 保密性能强 可以防止伪造和窃用 抗干扰能力强 可靠性高

应用举例： 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) 作为电子钱包(如电话卡、公交卡、加油卡等)16第1章 信息技术概述