Chất bán dẫn và công nghệ chế tạo vi mạch

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4 NỘI DUNG 5 I. CHẤT BÁN DẪN 5 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 5 2. Các loại chất bán dẫn 6 3. Các tính chất của chất bán dẫn 8 4. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn 9 5. Dòng điện trong chất bán dẫn 11 6. Các ứng dụng của chất bán dẫn 12 7. Tiềm năng của chất bán dẫn trong các lĩnh vực khác nhau 15 II. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VI MẠCH 16 1. Khái niệm về vi mạch 16 2. Lịch sử phát triển 16 3. Cấu tạo của vi mạch 17 4. Phân loại vi mạch 18 5. Quy trình cở bản tạo ra vi mạch số 21 6. Các công nghệ chế tạo vi mạch hiện đại 26 7. Quy trình thiết kế vi mạch 26 8. Quy trình sản xuất vi mạch 27 9. Ứng dụng của công nghệ chế tạo vi mạch 29 10. Tình hình phát triển công nghệ chế tạo vi mạch 30 KẾT LUẬN 32 1. Tóm tắt nội dung tiểu luận 32 2. Tài liệu tham khảo 33 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4 NỘI DUNG 5 I. CHẤT BÁN DẪN 5 1. Giới thiệu chung về chất bán dẫn 5 2. Các loại chất bán dẫn 6 3. Các tính chất của chất bán dẫn 8 4. Vùng năng lượng trong chất bán dẫn 9 5. Dòng điện trong chất bán dẫn 11 6. Các ứng dụng của chất bán dẫn 12 7. Tiềm năng của chất bán dẫn trong các lĩnh vực khác nhau 15 II. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VI MẠCH 16 1. Khái niệm về vi mạch 16 2. Lịch sử phát triển 16 3. Cấu tạo của vi mạch 17 4. Phân loại vi mạch 18 5. Quy trình cở bản tạo ra vi mạch số 21 6. Các công nghệ chế tạo vi mạch hiện đại 26 7. Quy trình thiết kế vi mạch 26 8. Quy trình sản xuất vi mạch 27 9. Ứng dụng của công nghệ chế tạo vi mạch 29 10. Tình hình phát triển công nghệ chế tạo vi mạch 30 KẾT LUẬN 32 1. Tóm tắt nội dung tiểu luận 32 2. Tài liệu tham khảo 33

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO VI MẠCH Mơn học: Vật lý TP.HCM, tháng năm 2023 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU NỘI DUNG I CHẤT BÁN DẪN Giới thiệu chung chất bán dẫn Các loại chất bán dẫn .6 Các tính chất chất bán dẫn Vùng lượng chất bán dẫn Dòng điện chất bán dẫn 11 Các ứng dụng chất bán dẫn .12 Tiềm chất bán dẫn lĩnh vực khác 15 II CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VI MẠCH 16 Khái niệm vi mạch .16 Lịch sử phát triển 16 Cấu tạo vi mạch 17 Phân loại vi mạch 18 Quy trình cở tạo vi mạch số .21 Các công nghệ chế tạo vi mạch đại 26 Quy trình thiết kế vi mạch .26 Quy trình sản xuất vi mạch 27 Ứng dụng công nghệ chế tạo vi mạch .29 10 Tình hình phát triển cơng nghệ chế tạo vi mạch .30 KẾT LUẬN 32 Tóm tắt nội dung tiểu luận 32 Tài liệu tham khảo .33 Mục lục hình ảnh Hình Chất bán dẫn…………………………………………………………………… Hình Chất bán dẫn tinh khiết ngun tố nhóm IV.………………………………… Hình Chất bán dẫn loại P……………………………………………………………….7 Hình Chất bán dẫn loại N………………………………………………………………8 Hình Vùng lượng chất bán dẫn………………………………………… 10 Hình Vi mạch…………………………………………………………………………12 Hình Transistor……………………………………………………………………… 13 Hình Điot………………………………………………………………………… ….13 Hình Các loại cảm biến……………………………………………………… …… 14 Hình 10 Bộ chuyển đổi quang điện…………………………………………………… 14 Hình 11 Đèn LED…………………………………………………………………… 14 Hình 12 Solar cell………………………………………………………………………15 Hình 13 Cấu tạo vi mạch……………………………………………………17 Hình 14 Bên vi mạch……………………………………………… ………17 Hình 15 Phân loại vi mạch theo số lượng transistor số cổng……………………… 19 Hình 16 Phân loại vi mạch theo số lượng cổng……………………………… ………19 Hình 17 Vi mạch số 74HC245 NXP……………………………………………….20 Hình 18 Vi mạch tương tự OPAMP OPA2188 TI…………………………………20 Hình 19 Quy trình tạo vi mạch số……………………………………………21 Hình 20 Minh họa cách biểu diễn sơ đồ tín hiệu giao tiếp, sơ đồ khối mạch nguyên lý…………………………………………………… .………………………….22 Hình 21 Một đoạn RTL code viết ngôn ngữ Verilog mơ tả cho mạch ngun lý 22 Hình 22 Sơ đồ mạch thiết kế sau tổng hợp……………………………… 24 Hình 23 Nội dung file netlist sau tổng hợp thể kết nối cell thư viện………………………………………………………………………………… 25 LỜI MỞ ĐẦU Đối với thiết bị điện tử đại, chất bán dẫn vi mạch tích hợp hai yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất khả tích hợp chúng Chất bán dẫn sử dụng để sản xuất thiết bị điện tử transistor, diode, IC, công nghệ chế tạo vi mạch đảm bảo tính xác độ phức tạp thiết bị Trong tiểu luận này, tìm hiểu chất bán dẫn cơng nghệ chế tạo vi mạch Đầu tiên, sâu vào cấu trúc tính chất chất bán dẫn, bao gồm loại chất bán dẫn, cách chúng dẫn điện đặc tính tạo thành thành phần điện tử Tiếp theo, tìm hiểu trình chế tạo vi mạch, bao gồm bước từ thiết sản xuất kiểm tra Chúng ta tìm hiểu tiến thách thức công nghệ chế tạo vi mạch Việc giảm kích thước vi mạch, tăng tốc độ tích hợp chức thách thức công nghệ Cuối cùng, xem xét ứng dụng vi mạch chất bán dẫn lĩnh vực máy tính, điện thoại di động, thiết bị điện tử gia dụng Bằng việc tìm hiểu chất bán dẫn cơng nghệ chế tạo vi mạch, hiểu rõ cách thiết bị điện tử hoạt động đóng góp chúng sống đại NỘI DUNG I CHẤT BÁN DẪN Giới thiệu chung chất bán dẫn 1.1 Khái niệm Chất bán dẫn (Semiconductor) chất có độ dẫn điện mức trung gian chất dẫn điện chất cách điện Vì chất dẫn điện điều kiện đó, điều kiện khác khơng dẫn điện nên gọi “bán dẫn” Chất bán dẫn hoạt động chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phịng Hình Chất bán dẫn 1.2 Lịch sử phát triển Lịch sử phát triển chất bán dẫn bắt đầu vào năm 1940, nhà khoa học phát silicon germanium có khả dẫn điện Tuy nhiên, vào thời điểm đó, hiểu biết tính chất ứng dụng chất bán dẫn hạn chế Vào năm 1950, nhà khoa học Mỹ bắt đầu nghiên cứu transistor - thiết bị điện tử làm từ chất bán dẫn, coi bước đột phá lịch sử phát triển chất bán dẫn Transistor thay thiết bị điện tử trước đó, bóng đèn triode, trở thành sở công nghệ điện tử đại Trong năm 1960, nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu chất bán dẫn phát họ thêm nguyên tố khác vào silicon germanium, chúng tăng khả dẫn điện điện trở vật liệu Điều dẫn đến phát triển vật liệu bán dẫn gallium arsenide indium phosphide, sử dụng rộng rãi ứng dụng bán dẫn, vi mạch, thiết bị cảm biến nhiều thiết bị khác Từ đó, cơng nghệ bán dẫn tiến nhanh chóng, đưa đến phát triển sản phẩm điện tử tiên tiến hơn, máy tính, điện thoại di động, máy ảnh số, thiết bị y tế nhiều thiết bị khác Hiện nay, chất bán dẫn loại vật liệu quan trọng ngành công nghiệp điện tử sử dụng rộng rãi toàn giới Các loại chất bán dẫn 2.1 Chất bán dẫn tinh khiết Người ta gọi chất bán dẫn khơng lẫn tạp chất Ví dụ Germanium hay Silicon Ngồi ra, cịn gọi chất bán dẫn tinh khiết nguyên tố nhóm IV Mỗi ngun tử có electron lớp ngồi liên kết với nguyên tử Si thông qua liên kết cộng hóa trị để tạo nên chất bán dẫn trung hòa điện điều kiện nhiệt độ thấp Đặc điểm: + Hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm + Điện trở suất cao nhiệt độ thấp giảm dần nhiệt độ tăng lên + Độ dẫn điện loại tỷ lệ thuận với nhiệt độ Hình Chất bán dẫn tinh khiết nguyên tố nhóm IV 2.2 Chất bán dẫn pha tạp chất  Chất bán dẫn loại P Hay gọi bán dẫn dương, có tạp chất nguyên tố nhóm III Nó dẫn điện chủ yếu lỗ trống Khi người dùng pha thêm lượng chất có hóa trị In vào chất Si nguyên tử In liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị Lúc liên kết bị thiếu điện tử nên tạo thành lỗ trống Người ta gọi chất bán dẫn P Hình Chất bán dẫn loại P  Chất bán dẫn loại N Nó gọi chất bán dẫn âm, có tạp chất nguyên tố thuộc nhóm V Nguyên tử dùng điện tử tạo nên liên kết, điện tử lớp liên kết lỏng lẻo với nhân Điện tử gọi dẫn Khi pha lượng chất Photpho có hóa trị Si bán dẫn nguyên tử Photpho liên kết nguyên tử Si theo cộng hóa trị Nguyên tử Photpho điện tử tham gia liên kết, nguyên tử lại tự Chất bán dẫn thừa điện tử nên gọi bán dẫn N âm Hình Chất bán dẫn loại N Các tính chất chất bán dẫn - Hiệu ứng trường ( bán dẫn ) : Việc trao đổi điện tích lớp tiếp xúc P-N xảy kết hợp lớp P-N lại với Lúc điện tử từ N sang P từ P sang N Cùng với đó, trình trung hịa điện nên lỗ trống lớp P chuyển sang lớp N Quá trình làm ion tích điện hình thành nên điện trường - Dị thể: Người ta gọi dị thể có vật liệu bán dẫn pha tạp khác nối với Chúng ta lấy ví dụ: Một cấu hình gồm p-pha tạp n-pha tạp germanium Germanium pha tạp n có thừa electron, Germanium pha tạp p có nhiều lỗ trống Nó dẫn đến trao đổi lỗ trống, điện tử vật liệu bán dẫn pha tạp Quá trình diễn cho đạt trạng thái cân thơng qua q trình tái hợp Các electron lúc di chuyển từ loại n, tiếp xúc với lỗ di chuyển từ loại p Cuối q trình tạo nên ion tích điện, dẫn đến hình thành hiệu ứng điện trường - Electron kích thích: Chính có khác điện vật liệu bán dẫn làm tình trạng khơng cân hình thành, trạng thái cân nhiệt bị phá vỡ Thông qua khuếch tán xung quanh, lỗ trống, electron giới thiệu đến hệ thống Khi cân nhiệt không đảm bảo, bị xáo trộn số lượng điện tử, lỗ trống bị thay đổi Nguyên nhân có chênh lệch nhiệt độ, photon xâm nhập vào hệ thống tạo điện tử, lỗ trống Người ta gọi trình hình thành tự hủy điện tử, electron tái tổ hợp - Độ dẫn điện biến đổi: Nếu trạng thái tự nhiên dẫn điện Vì dịng điện thường u cầu chất bán dẫn, dịng electron phải có dải hóa trị lấp đầy, ngăn chặn dịng electron vào Ngày có nhiều kỹ thuật, phát minh khoa học người đời để tạo nên vật liệu bán dẫn hoạt động tương tự vật liệu dẫn điện Và cho kết quả: n p Lần lượt, chúng thừa, thiếu electron Khi lượng electron không cân tạo nên dòng điện qua vật liệu - Độ dẫn nhiệt cao: Tính chất Semiconductor dẫn nhiệt cao Vì mà dùng để tản nhiệt, cải thiện vấn đề quản lý nhiệt thiết bị điện tử - Phát xạ nhẹ: Một số Semiconductor electron bị kích thích, phát sáng thay tạo nhiệt Người ta ứng dụng việc chế tạo chấm lượng tử huỳnh quang, diode phát sáng… - Chuyển đổi lượng nhiệt: Thường có yếu tố lượng nhiệt điện lớn Vì mà hữu ích máy phát nhiệt điện Khơng vậy, cịn có số liệu nhiệt điện cao làm có vai trị quan trọng làm mát nhiệt điện Vùng lượng chất bán dẫn Nhờ vào lý thuyết vùng lượng mà người lý giải tính chất dẫn điện vật liệu rắn Điện tử tồn nguyên tử trạng thái dừng hay mức lượng gián đoạn Tuy nhiên, chất rắn nguyên tử kết hợp lại với thành khối, mức lượng phủ lên phân chia thành vùng chính: Vùng hóa trị lấp đầy, vùng dẫn trống, vùng cấm Ba vùng hình thành nên cấu trúc lượng điện tử mạng nguyên tử chất bán dẫn + Vùng hóa trị: Tên tiếng anh Valence band Đây vùng có lượng thấp nằm thang lượng Tại đây, electron bị liên kết mạnh với ngun tử, khơng linh động + Vùng cấm: Hay cịn gọi Forbidden band, vùng nằm vùng hóa trị vùng dẫn Do khơng có mức lượng nên electron khơng thể tồn tại vùng Nếu chất bán dẫn có pha tạp xuất mức lượng khác vùng cấm, phân chia thành mức pha tạp Người ta xác định độ rộng vùng cấm khoảng giới hạn từ đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị Hình Vùng lượng chất bán dẫn Tùy thuộc vào độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất dẫn điện khơng dẫn điện + Vùng dẫn: Nó cịn gọi Conduction band Đây vùng có mức lượng cao Vùng mà electron linh động nhất, tương tự electron tự Điện tử vùng điện tử dẫn có khả dẫn điện có điện tử xuất tồn vùng dẫn Tính dẫn điện tăng mật độ electron vùng dẫn tăng lên Người ta lý giải đơn giản tính dẫn điện chất rắn, chất bán dẫn dựa vùng lượng sau: + Kim loại ln có vùng hóa trị vùng dẫn phủ lên Chúng khơng có vùng cấm nên ln ln có electron vùng dẫn Và mà kim loại ln ln dẫn điện + Các Semiconductor có vùng cấm, độ rộng vùng xác định Ở khơng độ (0 ⁰K)K) tuyệt đối Fermi nằm vùng cấm Điều nói lên rằng, điện tử tồn vùng Hình 15 Phân loại vi mạch theo số lượng transistor số cổng Hình 16 Phân loại vi mạch theo số lượng cổng Cách phân chia khơng có ranh giới rõ ràng mang tính tương đối Hiện nay, vi mạch chứa hàng trăm triệu hàng tỷ transistor đời vi xử lý core i5, core i7, chip SnapDragon nhân Qualcomm, vi xử lý dùng cho máy chủ Thông số số lượng transistor cổng vi mạch lúc công bố rỗng rãi nên việc xác định vi mạch thuộc loại LSI, VLSI, ULSI, mang tính đốn nên thuật ngữ VLSI sử dụng phổ biến để gọi loại vi mạch có mật độ tích hợp cao nói chung Một cách phân loại phổ biến thứ dựa loại tín hiệu mà vi mạch xử lý tín hiệu số (digital) hay tín hiệu tương tự (analog) Theo cách phân loại này, vi mạch chia làm nhóm là: - Vi mạch số (Digital IC) xử lý tín hiệu rời rạc dựa mức logic, 1, cạnh chuyển tín hiệu, cạnh lên cạnh xuống Các vi mạch điển hình vi mạch cổng logic AND, OR, đảo, mạch đếm, MUX, Các thành phần vi mạch cổng logic, Flip-Flop, Latch, - Vi mạch tương tự (Analog IC) xử lý tín hiệu liên tục dựa thuộc tính tần số, điện áp, dịng điện, tín hiệu Các thành phần transistor, điện trở, tụ điện, cuộn cảm, Các chip điển hình mạch khuếch đại thuật toán OP-AMP, chip ổn áp, - Vi mạch tín hiệu hỗ hợp (Mixed-signal IC) chip tích hợp thành phần xử lý tín hiệu số tín hiệu tương tự ví dụ chip vi điều khiển MCU có tích hợp chuyển đổi tín hiệu tương tự/số ADC Hình 17 Vi mạch số 74HC245 NXP Hình 18 Vi mạch tương tự OPAMP OPA2188 TI