计算机硬件之集成电路

集成电路

集成电路概述

集成电路（Integrated Circuit,IC）是一种微型电子器件或部件。集成电路也可以称为微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、芯片（chip）。通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一小块或几小块半导体晶片或介质基片（如硅或砷化镓）上，然后封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种微型电子器件。其中所有器件在结构上已组成一个整体。它具有体积小、重量轻、电路稳定、可靠性高、集成度高等特点。

集成电路在电路中用字母"IC"表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊斯（基于硅（Si）的集成电路）。

现代集成电路使用的半导体材料通常是硅（Si），也可以是化合物半导体如砷化镓（GaAs）等。集成电路如下图所示。

集成电路发展史

早期的电子技术以真空电子管为基础原件，在这个阶段产生了广播、电视、无线电通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机。

半导体集成电路的出现和发展如下：

• 1947——1948年，美国贝尔实验室的约翰·巴丁、布拉顿、肖克莱三人发明了世界上第一只（点接触式）晶体三极管—标志着电子管时代面向晶体管时代的过渡的开始；
• 1950年，成功研制出结型晶体管；
• 1951年，场效应晶体管发明
• 1952年，英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路”的设想
• 1958年，在美国德州仪器公司工作的Jacky Killby制作出世界上第一块集成电路—双极型晶体管集成电路，1959年正式发布。开创了世界微电子学的历史
• 1960年，世界上成功制作出第一块MOS集成电路
• 1962年，美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管
• 1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺
• 1965年，Intel公司创始人之一的Gordon E.Moore博士通过对过去近10年集成电路发展情况的总结，提出了有名的摩尔定律（Moore’s Law）,即集成电路芯片上的集成度平均每18~24个月便会增加一倍，计算力相对时间呈指数式的上升

集成电路从19世纪60年代开始发展至今，其规模几乎仍然按照摩尔定律发展。同时集成电路不断朝着集成度更高、速度更快、体积更小、耗电更少的方向发展。而这些发展与进步，主要是靠微电子工艺技术的不断改进，使得芯片上电路元件的线条更细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。随着纳米、亚纳米量级的微细加工技术的采用和硅抛光片面积的增大，集成电路的规模将越来越大。

集成电路分类

集成电路每个芯片上所包含的电子元器件（如晶体管、电阻等）个数表示该芯片的集成度。

1. 集成电路按集成度分类
   • 小规模集成电路（Small Scale Integrated circuits，SSIC，元器件数目小于100）
   • 中规模集成电路（Medium Scale Integrated circuits，MSIC，元器件数目大于100~3000）
   • 大规模集成电路（Large Scale Integrated circuits，LSIC，元器件数目3000~10万）
   • 超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated circuits，VLSIC，元器件数目10万~几十万）
   • 极大规模集成电路（Ultra Large Scale Integrated circuit，ULSIC，元器件数目大于100万）
2. 集成电路按晶体管、电路、工艺的不同分类
   • 双极型（Bipolar）集成电路
   • 金属氧化物半导体（MOS）集成电路
   • 双极-金属氧化物半导体（Bi-MOS）集成电路
3. 按照集成电路的功能分类
   • 数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）
   • 模拟集成电路（又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等）
   • 数/模混合集成电路
4. 按封装形式分类
   • 晶体管式封装
   • 扁平封装
   • 直插式封装
5. 按其制作工艺分类
   • 半导体集成电路
   • 薄膜集成电路
   • 厚膜集成电路
   • 混合集成电路
6. 按集成电路的用途分类
   • 标准通用集成电路，如微处理器和存储器芯片等
   • 专用集成电路，是指按照某种应用的特定要求而专门设计、定制的集成电路

IC卡

基本概念

IC卡是“集成电路卡”或“芯片卡”的简称，英文名称为chip card 或smart card。它把集成电路芯片密封在塑料卡基片内部，使其成为能存储、处理和传递数据的载体。与磁卡相比，它不受电磁场干扰，可以较为可靠的存储和处理数据。

分类

1. IC卡按卡中所镶嵌的集成电路芯片的不同可分为以下种类

存储器卡。这种卡封装的集成电路为存储器,其容量大约为几 KB到几十KB,信息可长期保存,也可通过读卡器改写。存储卡的结构简单,使用方便,读卡器不需要联网就可工作。这种IC卡除了存储器外,还专设有写入保护和加密电路,因此安全性强,主要用于校园卡、电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等。

CPU卡。这种卡上集成了中央处理器(CPU)、程序存储器和数据存储器,还配有操作系统。这种卡处理能力强,保密性好,常作为证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡,它不但存储了用户的身份信息,而且可将电话号码、短信息等也存储在卡上。

2. IC卡按使用方式不同可分为以下种类

接触式 IC卡。其表面有一个方形镀金接口,共有6个或8个镀金触点。使用时必须将IC卡插人读卡机卡口内,通过金属触点传输数据。这种IC卡多用于存储信息量大、读写操作比较复杂的场合。接触式IC卡易磨损、怕油污,寿命不长,如电话IC卡。

非接触式 IC卡,又叫射频卡、感应卡。它采用"电磁感应方式"无线传输数据,解决了无源(卡中无电源)和无接触这一难题,操作方便、快捷。这种IC卡记录的信息简单,读写数据不多,常用于身份验证等场合。由于采用全密封胶固化,防水、防污,所以使用寿命很长,如第二代身份证、公交卡等

双界面卡，又叫双频卡，双通讯界面卡。它是一种同时支持接触式和非接触式两种通讯方式的IC卡。它具有一个接触式接口和一个非接触式天线，能够同时利用两种通讯方式进行数据传输。

在接触式通讯方式下，双界面卡通过金属触点与读卡器进行数据交换，这种方式与传统的接触式IC卡相同。在非接触式通讯方式下，双界面卡通过内置的天线与读卡器进行无线数据交换，这种方式与非接触式IC卡相同。

双界面卡的优势在于能够结合接触式和非接触式两种通讯方式的特点，提高数据传输的可靠性和方便性。同时，由于同时支持两种通讯方式，双界面卡也可以在某些场合下替代两种卡的功能，简化系统的结构和降低成本。

在实际应用中，双界面卡可以用于身份识别、门禁控制、电子支付、公交乘车等领域，如银行卡、医疗卡、交通卡等。