Việc nghiên cứu và phát triển đế linh kiện cũng như là linh kiện bán dẫn là một công việc thiết yếu và được cho là vô cùng quan trọng vì hầu hết các thiết bị điện tử, các máy móc thiết b
GIỚI THIỆU CHUNG
Khái quát về linh kiện bán dẫn
Linh kiện bán dẫn là các thiết bị điện tử sử dụng vật liệu bán dẫn như silic, germani và arsenua galli, cũng như các chất bán dẫn hữu cơ khác Chúng hoạt động dựa trên việc dẫn truyền điện tử ở dạng rắn, khác với các linh kiện điện tử chân không sử dụng dẫn truyền qua phát xạ nhiệt hoặc khí Do đó, linh kiện bán dẫn đã thay thế linh kiện ion nhiệt trong hầu hết các ứng dụng hiện nay.
Trong linh kiện bán dẫn thì hai dạng rời và vi mạch được gia công,kết nối trên một nền bán dẫn duy nhất là tấm wafer
Lịch sử
Sự ra đời của các chất bán dẫn lần đầu tiên được đánh dấu bởi sự kiện phát minh bộ phát minh (AC –
DC converter) vào năm 1874 Đến năm 1946, Đại học Pennsylvania –
Mỹ đã phát triển hệ thống máy tính đầu tiên sử dụng đèn chân không, nhưng kích thước lớn của nó chiếm gần như toàn bộ ngôi nhà và tiêu thụ điện năng cao Năm 1947, Bardeen và Brattain tại Bell Laboratories đã phát minh ra transistor tiếp điểm, tiếp theo là transistor lớp chuyển tiếp do Shockley phát minh vào năm sau Năm 1956, nghiên cứu và phát triển bóng bán dẫn đã mang lại giải thưởng Nobel cho Shockley, Bardeen và Brattain Sự phát triển của bóng bán dẫn đã thúc đẩy công nghiệp bán dẫn tăng trưởng nhanh chóng, với quy mô đạt hơn 100 triệu USD chỉ trong một năm Đến năm 1959, Kilby và Noyce phát minh ra mạch tích hợp lưỡng cực IC, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ IC IC đầu tiên được Jack Kilby phát minh nhằm giải quyết những vấn đề thực tiễn, được tạo thành từ silicon và nổi bật với nhiều ưu điểm.
Jack Kilby và các chip IC hiện đại đã cách mạng hóa thiết bị điện với kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ Năm 1967, Texas Instruments phát triển máy tính để bàn đầu tiên sử dụng IC, khởi đầu cuộc đua sản xuất máy tính giữa các quốc gia, đặc biệt là Nhật Bản Đến những năm 1970, IC đã được cải tiến với quy mô tích hợp lớn hơn (LSI), tiếp theo là sự ra đời của VLSI với 100.000 đến 10 triệu linh kiện tích hợp trên mỗi chip vào những năm 1980, và ULSI với hơn 10 triệu linh kiện trên mỗi chip vào những năm 1990 Cuối cùng, LSI đa chức năng đã được phát triển, tích hợp nhiều chức năng trong một chip duy nhất.
Hình 1 3: Vi mạch điện tử đầu tiên trên thế giới do Jack Kilby phát minh
Chất bán dẫn hiện diện trong hầu hết các thiết bị công nghệ ngày nay, với silic là loại phổ biến nhất nhờ chi phí thấp, gia công dễ dàng và khả năng chế tạo tấm nền lớn lên đến 300mm Mặc dù germanium là vật liệu bán dẫn đầu tiên, nhưng nhược điểm về độ nhạy nhiệt khiến nó kém hơn silic Để tận dụng ưu điểm của cả hai, các linh kiện SiGe tốc độ cao đã được phát triển, với IBM là một trong những nhà sản xuất hàng đầu Ngoài ra, gallium arsenide (GaAs) cũng được sử dụng trong linh kiện tốc độ cao, nhưng chi phí sản xuất tấm nền lớn cao hơn nhiều so với silic Các vật liệu khác như carbide silic (SiC) đang được nghiên cứu cho ứng dụng trong sản xuất diot phát sáng xanh lam (LED) nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao và môi trường ion hóa lớn, cùng với các hợp chất indi như arsenua, antimonua và phosphua indi cũng được ứng dụng trong LED và diot laser, ví dụ như diot IMPATT.
Cấu tạo của linh kiện bán dẫn
Ví dụ: transistor trong IC
Vi mạch điện tử, hay còn gọi là IC (Integrated Circuit - mạch tích hợp), là một thuật ngữ quan trọng trong lĩnh vực công nghệ, đặc biệt đối với các kỹ sư Đây là linh kiện điện tử thiết yếu với nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp.
Diode bán dẫn là linh kiện có một tiếp giáp P-N, thường được bọc bằng thủy tinh, nhựa hoặc kim loại, với hai điện cực Anot (A) và Catot (K) Trong khi đó, linh kiện tranzito có ba điện cực và ba lớp tiếp giáp P-N, cũng có vỏ bằng nhựa hoặc kim loại, bao gồm Anot (A), Catot (K) và cực điều khiển (G) Triac và Diac là các linh kiện bán dẫn có ba điện cực A1, A2 và G, nhưng Diac không có cực điều khiển G Một trong những nghiên cứu trong sản xuất tế bào năng lượng mặt trời là sulfile Seleni, một chất bán hữu cơ được ứng dụng trong diot phát sáng hữu cơ.
Diode được hình thành từ một lớp tiếp giáp p-n, bao gồm hai cực: cực anot A kết nối với lớp p và cực catot K kết nối với lớp n Khi không có dòng điện chạy qua diode, dòng điện sẽ lưu thông từ cực A đến cực K.
Hình 1 4: Hình ảnh transistor NPN
Cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C - E (Trong đó (+) là nguồn vào cực C, (-) là nguồn vào cực E).
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B – E (trong đó cực (+) vào chân B và cực (-) vào chân E)
Khi công tắc mở, mặc dù hai cực C - E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua (lúc này dòng IC = 0).
Khi công tắc đóng, mối P – N được phân cực thuận khi đó có dòng điện chạy từ nguồn (+) UBE qua công tắc tới R hạn dòng và qua mối
BE về cực (-) tạo thành dòng IB.
Ngay khi dòng IB xuất hiện, lập tức dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, lúc đó dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
Như vậy, dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB, khi đó có công thức
IC: dòng chạy qua mối CE
IP: dòng chạy qua mối BE
Β: hệ số khuếch đại của transistor
Khi có điện áp UCE, các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo ra dòng điện Lớp bán dẫn P tại cực rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, dẫn đến khi xuất hiện dòng điện IBE, số điện tử tự do từ các lớp bán dẫn nhỏ sẽ lấp đầy các lỗ trống, tạo thành dòng IB Phần lớn số điện tử bị hút về cực C dưới tác dụng của điện áp UCE, từ đó hình thành dòng ICE qua transistor.
Transistor PNP hoạt động tương tự như transistor NPN, nhưng với cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Trong transistor PNP, dòng IC chảy từ cực E sang cực C, trong khi dòng IB di chuyển từ cực E sang cực B.
Transistor có hai chức năng chính: transistor công tắc và transistor khuếch đại Transistor công tắc hoạt động như một khóa điện tử, giúp bật tắt các ứng dụng năng lượng cao và thấp Trong khi đó, transistor khuếch đại thường được sử dụng để khuếch đại âm thanh và hình ảnh trong các thiết bị điện tử như điện thoại và TV.
Transistor có nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm mức tiêu thụ điện năng và độ trễ thấp, đồng thời không chứa chất độc hại do không có bộ phận làm nóng cathode Với kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, sản phẩm trở nên tối ưu hơn Hiện nay, transistor đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị hiện đại nhờ khả năng hoạt động ở điện áp thấp gần bằng pin tiểu Bên cạnh đó, chúng còn có hiệu suất cao, tuổi thọ dài và ít bị vỡ, làm cho chúng trở thành lựa chọn ưa chuộng trong nhiều ứng dụng.
Nhược điểm của thiết bị này là khả năng hoạt động sẽ suy giảm theo thời gian, khiến chúng chỉ hoạt động hiệu quả ở tần số nhỏ Khi phải xử lý công suất lớn và tần số cao, thiết bị không còn phù hợp.
Hình 1 5: Hình ảnh transistor PNP o Dễ hỏng nếu sốc điện hay nhiệt, rất nhạy cảm với bức xạ.
Kết luận chương
Trong chương này, tác giả khám phá khái niệm và lịch sử của transistor, một linh kiện quan trọng trong bán dẫn Bài viết trình bày các đặc tính, cấu tạo, cũng như ưu và nhược điểm của transistor Đặc biệt, tác giả giải thích nguyên lý hoạt động của transistor NPN và PNP, giúp người đọc hiểu rõ hơn về cấu tạo và chức năng của linh kiện này.
TÍNH CHẤT
Phương pháp chế tạo IC
MEMS, hay Hệ thống vi cơ điện, là công nghệ liên quan đến các phần tử cơ điện và cơ điện thu nhỏ, được sản xuất qua các kỹ thuật chế tạo vi mô Kích thước của thiết bị MEMS có thể từ dưới một micrômet đến vài milimét, với các loại thiết bị đa dạng, từ cấu trúc đơn giản không có phần tử chuyển động đến hệ thống cơ điện phức tạp với nhiều phần tử chuyển động được điều khiển bởi vi điện tử tích hợp Một tiêu chí quan trọng của MEMS là sự hiện diện của ít nhất một phần tử có chức năng cơ học, bất kể khả năng di chuyển của chúng Thuật ngữ MEMS có thể khác nhau tùy theo khu vực, với tên gọi phổ biến ở Hoa Kỳ là MEMS, trong khi một số nơi khác gọi là "Công nghệ hệ thống vi mô" hoặc "thiết bị vi cơ".
Các yếu tố chức năng của MEMS bao gồm cấu trúc thu nhỏ, cảm biến, thiết bị truyền động và vi điện tử Trong đó, cảm biến vi mô và bộ phản ứng vi mô nổi bật nhất, được phân loại là “bộ chuyển đổi”, có chức năng chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác Cụ thể, cảm biến vi mô thường chuyển đổi tín hiệu cơ đo được thành tín hiệu điện.
Tầm nhìn về MEMS dự kiến sẽ mang lại bước đột phá công nghệ quan trọng, khi tích hợp cảm biến vi mô, bộ vi phản ứng và vi điện tử vào một vi mạch duy nhất Điều này cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, kết hợp khả năng tính toán của vi điện tử với khả năng nhận thức và điều khiển của cảm biến Các mạch tích hợp vi điện tử đóng vai trò như "bộ não" của hệ thống, trong khi MEMS cung cấp "mắt" và "cánh tay" để vi mô có thể cảm nhận và kiểm soát môi trường Cảm biến thu thập thông tin từ môi trường qua các hiện tượng cơ học, nhiệt, sinh học, hóa học, quang học và từ tính, sau đó thiết bị điện tử xử lý thông tin này để ra quyết định và điều khiển các bộ truyền động Nhờ vào kỹ thuật chế tạo hàng loạt, thiết bị MEMS có thể đạt được độ tin cậy và tính năng cao trên một chip silicon nhỏ với chi phí thấp Công nghệ MEMS đang cách mạng hóa nhiều lĩnh vực ứng dụng, cho phép hiện thực hóa các hệ thống hoàn chỉnh trên một con chip.
Công nghệ nano cho phép kiểm soát vật chất ở cấp độ nguyên tử hoặc phân tử, tạo ra sản phẩm hữu ích với kích thước nano Có hai phương pháp chính để triển khai công nghệ này: từ trên xuống và từ dưới lên.
Theo cách tiếp cận từ trên xuống, các thiết bị nano được chế tạo bằng các kỹ thuật tương tự như MEMS, nhưng với kích thước nhỏ hơn nhờ vào các phương pháp khắc và khắc quang học tiên tiến Ngược lại, cách tiếp cận từ dưới lên thường sử dụng công nghệ lắng đọng, phát triển hoặc tự lắp ráp Các thiết bị nano mang lại nhiều lợi ích hơn so với MEMS chủ yếu do quy luật về tỷ lệ, mặc dù điều này cũng tạo ra một số thách thức nhất định.
Công nghệ MEMS ngày càng phụ thuộc vào công nghệ nano để phát triển các sản phẩm mới hiệu quả Chẳng hạn, máy đo gia tốc túi khí va chạm sản xuất bằng công nghệ MEMS có thể gặp vấn đề về độ tin cậy lâu dài do hiệu ứng ngẫu nhiên trong quá trình sử dụng Để khắc phục tình trạng này, lớp phủ tự lắp ráp (SAM) đang được áp dụng để xử lý bề mặt của các phần tử MEMS chuyển động, nhằm giảm thiểu các hiệu ứng ma sát trong suốt vòng đời sản phẩm.
Nhiều chuyên gia cho rằng MEMS và công nghệ nano là hai nhãn hiệu khác nhau nhưng đều liên quan đến công nghệ siêu nhỏ không nhìn thấy bằng mắt thường Mặc dù các công nghệ vi mạch hiện đại có thể đạt kích thước hàng chục nanomet, nhưng cả MEMS và công nghệ nano đều có sự phụ thuộc lẫn nhau ngày càng gia tăng Điều quan trọng nhất là những lợi ích chung mà hai công nghệ này mang lại, bao gồm khả năng thông tin tốt hơn, thu nhỏ hệ thống, phát triển vật liệu mới từ khoa học ở quy mô nhỏ, và cải thiện chức năng cũng như quyền tự chủ cho hệ thống.
Hình 2 1: Quy trình tạo ra chip IC
Cấu tạo của IC
Cấu tạo của mạch vi điện tử hay còn gọi là IC gồm có 3 bộ phận chính:
Vỏ chip, hay còn gọi là cover, có nhiệm vụ cố định các dây dẫn, lõi và chân của vi mạch Thường được làm từ gốm, nhựa hoặc thủy tinh, vỏ chip là thành phần dễ thấy nhất trong cấu trúc của vi mạch (IC).
Lõi (hay còn gọi là core/die) của vi mạch điện tử được chia thành hai phần chính: thành phần thụ động và thành phần tích cực Thành phần tích cực bao gồm các linh kiện như diode, transistor, PMOS và NMOS, trong khi thành phần thụ động gồm các linh kiện đơn giản hơn như tụ điện, điện trở và cuộn cảm Bên trong một vi mạch, có thể có một trong hai thành phần này hoặc cả hai, và chúng là bộ phận quan trọng nhất trong IC, thường được chế tạo từ silicon.
Chân, hay còn gọi là pin hoặc lead, có chức năng kết nối với lõi thông qua các dây dẫn điện Thông thường, chân được chế tạo từ vàng để đảm bảo tính dẫn điện tốt nhất.
Hình 2 2: Cấu tạo cơ bản của IC
Tùy thuộc vào loại IC và mục đích sử dụng, các bộ phận hỗ trợ sẽ khác nhau Chẳng hạn, IC trên xe máy có thêm chức năng kích lửa và nhiều loại hỗ trợ khác Do đó, cấu tạo của IC thường không giống nhau.
Công nghệ chế tạo IC
2.3.1.1 Thiết kế hệ thống Đây là bước đặc biệt quan trọng Bởi vì người thiết kế phải lý được 100% hệ thống sắp thiết kế, cũng như những nguyên lý, đặc tính của hệ thông, chẳng hạn: công nghệ nào sẽ được sử dụng khi chế tạo, tốc độ xử lý, năng lượng, cách bố trí các pin và điều kiện hoạt động của hệ thống Một điều quan trọng của bước thiết kế hệ thống chính là không có bất kì sự hổ trợ nào từ các công cụ chuyên dụng.
Thiết kế các chức năng cho chip sử dụng Verilog-HDL, VHDL tập trung vào mức độ RTL (Register Transfer Level) Ở mức này, chú trọng vào hoạt động tổng thể của chip, thay vì cấu trúc chi tiết, với mục tiêu tối ưu hóa kết quả tính toán và sự luân chuyển dữ liệu giữa các register (máy ghi).
2.3.1.3 Thiết kế logic và thiết kế mạch
Ở bước này, những RTLs đã thiết kế ở phần 2 dẽ được chuyển xuống mức thiết kế thấp hơn.
Các quan hệ logic như (NOT, NAND, NOR, MUX…) sẽ được chuyển đổi từ các chức năng có mức trừu tượng cao (RTL) từ đó chuyển xuống mức cổng.
Các Tool chuyên dụng sẽ thực hiện nhiệm vụ này, ví dụ như Design Compiler, Synplify, XST,
2.3.1.4 Thiết kế sơ đồ bố trí
Các công cụ CAD giúp nhà thiết kế chuyển đổi net-list thành dữ liệu cho layout Trong quá trình này, nhà thiết kế cần tuân thủ nghiêm ngặt quy định Design-Rule, đảm bảo rằng diện tích chiếm dụng của các linh kiện là tối thiểu và chức năng của chip được tối ưu hóa.
2.3.1.5 Mask pattern design (Thiết kế mẫu) Ở công đoạn này người thiết kế chuyển file layout vừa có được sang mask pattern Tức là chuyển các phần đã thiết kế sang 1 kiểu format đặc biệt để sản xuất mask.
- Sản xuất mask còn được gọi là công nghệ đúc khuôn để đúc vi mạch lên tấm siliicon.
- Công nghệ sản xuất hiện đại sử dụng tia điện tử (EB – Electron Beam)
- Một con chip cần khoảng 20 đến 30 masks Giá các tấm mask này khá đặt, giá dao động có thể lên đến vài triệu USD.
Bước 1: làm sạch wafer bằng các dung dịch hoá học
Bước 2: Oxi hoá tạo SiO trên bề wafer SiO sẽ trở thành gate của 2 2 transistor.
Bước 3: CVD tạo các lớp film mỏng trên bề mặt wafer để làm điện cực cho transistor.
Bước 4: Cấy Ion được sử dụng các nguồn ion năng lượng cao để làm thanh đổi nồng độ Si.
Bước 5: Cắt để loại bỏ các phần SiO không cần thiết Ngoài ra cũng 2 có thể dùng phương pháp hóa học hoặc cắt bằng plasma.
Bước 6 : CMP làm phẳng bề mặt bằng phương pháp cơ-hoá.
Bước 7: Photolithography đưa mask pattern lên bề mặt wafer bằng phương pháp quang học.
Bước 8: Sputtering phủ kim loại lên wafer để làm dây dẫn nối các transitor với nhau bằng cách bắn các ion kim loại trong plasma.
Bước 9: Annealing xử lí nhiệt giúp sửa các liên kết chưa hoàn chỉnh của Si liên kết với H+ nhằm giảm thất thoát năng lượng.
Hình 2 3: Quy trình xử lý wafer
2.3.2.3 Kiểm tra – Đóng gói – Xuất xứ
Chip sẽ được xử lý các khâu như là:
- Grinding: Mài mỏng đế chip.
- Bonding: Nối ra các chân.
- Molding: Phủ lớp cách điện.
- Marking: Ghi tên hãng sản xuất và thông số của chip.
- Kế đến, chip được đội ngũ testing kiểm tra xem chip đã hoạt động tốt hay chưa.
- Cuối cùng chip được đóng gói vào hộp sản phẩm và đưa tới nơi cần sử dụng.
2.4 Nguyên lý hoạt động IC
Mạch tích hợp là một loại thiết bị hoặc linh kiện điện tử thu nhỏ.
Quá trình sản xuất chất bán dẫn bao gồm các bước như ôxy hóa, in thạch bản, khuếch tán, chất dẻo và hấp nhôm, nhằm kết nối các thành phần thiết yếu như bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện và cuộn cảm trong mạch điện tử Tất cả các dây kết nối này được tích hợp trên một miếng silicon nhỏ, sau đó được hàn và đóng gói trong lớp vỏ, tạo thành cấu trúc siêu nhỏ với các chức năng cần thiết cho bảng mạch.
Tất cả các thành phần đã hợp thành một cấu trúc đồng bộ, giúp các linh kiện điện tử tiến gần hơn tới việc thu nhỏ kích thước, giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng, nâng cao tính thông minh và đảm bảo độ tin cậy tối ưu.
Cấu trúc và thành phần IC
Cấu trúc và thành phần của mạch tích hợp có thể được hiểu rõ hơn bằng cách sử dụng hệ thống phân cấp từ trên xuống Phương pháp này giúp tổ chức thông tin một cách hợp lý, làm cho việc tìm hiểu về các mạch tích hợp trở nên dễ dàng và trực quan hơn.
Hình 2 4: Quy trình làm ra IC trên nền silicon
Điện thoại di động là một hệ thống vi mạch phức tạp, cho phép gọi điện, chơi game, nghe nhạc và phát ra âm thanh Nó bao gồm nhiều chip, điện trở, cuộn cảm và tụ điện được kết nối, tạo thành mức hệ thống Với sự tiến bộ của công nghệ, công nghệ tích hợp toàn bộ hệ thống trên một con chip, hay còn gọi là SoC, đã được phát triển từ nhiều năm trước.
Hệ thống được chia thành nhiều phân hệ chức năng, bao gồm quản lý nguồn điện, giao tiếp, màn hình, giọng nói và kiểm soát tính toán tổng thể Mỗi phân hệ này được gọi là cấp độ mô-đun, đại diện cho các lĩnh vực rộng lớn chứa đựng nhiều thành tựu trí tuệ của con người, góp phần nuôi dưỡng và phát triển nhiều công ty.
2.5.3 Đăng ký mức chuyển giao (RLT)
Mô-đun mạch số là thành phần quan trọng trong hệ thống, bao gồm các thanh ghi và mạch logic tổ hợp, chịu trách nhiệm cho các hoạt động logic và xử lý tín hiệu điện 0 và 1 Thanh ghi là cấu trúc mạch có khả năng lưu trữ tạm thời các giá trị logic và cần tín hiệu đồng hồ để kiểm soát thời gian lưu trữ Tín hiệu đồng hồ, là sóng hình chữ nhật ổn định và định kỳ, không chỉ đo thời gian mà còn điều phối sự sắp xếp trong mạch PCB Một chuyển động thứ hai được coi là thang thời gian cơ bản, trong khi chu kỳ dao động của sóng hình chữ nhật trong mạch đại diện cho thang thời gian trong thế giới kỹ thuật số.
Các thành phần mạch hoạt động tương ứng và thực hiện các nghĩa
Logic tổ hợp là sự kết hợp của nhiều cổng logic như AND, OR, và NOT Ví dụ, hai bóng đèn mắc nối tiếp với mỗi bóng có một công tắc chỉ cần bật cả hai công tắc thì đèn sẽ sáng, minh họa cho khái niệm logic Một mô-đun chức năng phức tạp bao gồm nhiều thanh ghi và logic tổ hợp, được gọi là mức chuyển thanh ghi.
Hình tam giác kết hợp với một vòng tròn tạo thành cổng NOT, bên cạnh là thanh ghi với D là đầu vào và Q là đầu ra, trong khi CLK là tín hiệu xung nhịp đầu vào.
Trong giai đoạn chuyển thanh ghi, các cổng logic bao gồm các loại như AND, OR và NOT, được sử dụng để xử lý tín hiệu Những cổng này hoạt động như những cánh cửa, có khả năng ngăn chặn hoặc cho phép sự ra vào của các tín hiệu điện, từ đó mang lại tên gọi cho chúng.
2.5.5 Mật độ bóng bán dẫn
Bóng bán dẫn là thành phần cơ bản trong cả mạch kỹ thuật số và tương tự, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các cổng logic như AND, OR, NOT và XOR Từ các mạch tích hợp lớn đến nhỏ, bóng bán dẫn và dây kết nối là những yếu tố thiết yếu Trong quá khứ, bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT), thường gọi là Triode, được sử dụng phổ biến, kết hợp với điện trở, bộ nguồn và tụ điện để khuếch đại tín hiệu Chúng hoạt động như các khối xây dựng, cho phép tạo ra nhiều loại mạch khác nhau.
BJT, hay Transistor Bipolar Junction, được sử dụng trong nhiều ứng dụng như công tắc, mạch nguồn điện áp/dòng điện, cổng logic, bộ lọc, bộ so sánh, bộ cộng và bộ tích hợp Các mạch được thiết kế bằng BJT được gọi là mạch TTL (Transistor-Transistor Logic).
Ký hiệu mạch của BJT trông như sau:
Sự xuất hiện của bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn (MOSFET) đã cách mạng hóa lĩnh vực vi mạch nhờ vào đặc tính điện vượt trội và tiêu thụ điện năng cực thấp Hiện nay, các mạch tích hợp chủ yếu sử dụng bóng bán dẫn MOS, thay thế cho BJT trong các mạch tương tự Hàng ngàn mạch có thể được xây dựng từ MOSFET, và chúng có khả năng kết nối linh hoạt để hoạt động như điện trở, tụ điện và các thành phần mạch cơ bản khác Dưới đây là các ký hiệu mạch của MOSFET.
Như đã nói ở trên, trong thực tế sản xuất công nghiệp, việc sản xuất chip là quá trình sản xuất hàng nghìn bóng bán dẫn.
Trong thực tế, thứ tự phân cấp của việc tạo ra chip sắp bị đảo ngược, bắt đầu với các bóng bán dẫn dưới cùng.
Công dụng của IC
Nếu bạn là chuyên viên kỹ thuật, IT hay lập trình viên, bạn sẽ hiểu rõ vai trò quan trọng của mạch IC Mạch tích hợp không chỉ giúp giảm kích thước mạch điện mà còn nâng cao độ chính xác của thiết bị Những lợi ích này đặc biệt rõ ràng trong các mạch logic.
Mạch tích hợp hiện nay bao gồm 2 loại chính đó là loại lập trình được và
Hình 2 7: Kí hiệu mạch MOSFET loại không lập trình được Cụ thể, mạch tích hợp không lập trình thông thường được cố định một chức năng định sẵn.
Tổng kết chương
Chương này tập trung vào phương pháp chế tạo, công nghệ, nguyên lý hoạt động và tính chất đặc trưng của IC Tác giả trình bày các đặc tính, cấu tạo, cũng như các bước thiết kế và xử lý để sản xuất vi mạch điện tử Phương pháp chế tạo IC được đề cập là công nghệ MEMS, cho thấy rằng thiết kế và xử lý là những bước quan trọng trong quá trình hoàn thiện IC IC được xem như bộ não của các thiết bị điện tử, đóng vai trò thiết yếu trong cấu tạo của linh kiện điện tử.
ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM
Ưu điểm của vi mạch điện tử IC
Mạch tích hợp (IC) có kích thước nhỏ hơn 1000 lần so với mạch rời rạc, giúp giảm thiểu không gian và chi phí sản xuất Cấu trúc bên trong của IC không có các mối hàn và ít kết nối hơn so với bảng mạch in (PCB), mang lại độ bền cao hơn Ngoài ra, IC tiêu thụ điện năng và năng lượng rất ít, góp phần vào hiệu suất hoạt động tối ưu.
Một bóng bán dẫn lỗi trong mạch rời rạc có thể làm toàn bộ mạch ngừng hoạt động, nhưng với IC, chỉ cần thay thế IC hỏng là mạch sẽ hoạt động bình thường IC có tốc độ làm việc nhanh chóng do không gặp phải hiệu ứng hao phí điện dung, và được sản xuất hàng loạt nên các thông số nhiệt độ hoàn toàn đồng nhất Chúng cải thiện hiệu suất chức năng và được kiểm nghiệm hoạt động ở cả nhiệt độ thấp và cao, phù hợp cho các tín hiệu nhỏ Ngoài ra, với các thành phần được chế tạo bên trong chip, IC không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.
Nhược điểm của vi mạch điện tử IC
Một số loại IC có cấu trúc phức tạp, dẫn đến chi phí cao và khó sửa chữa khi hư hỏng do kích thước mạch bên trong nhỏ Hầu hết các IC chỉ hoạt động với năng lượng dưới 10W, khiến việc sản xuất IC công suất cao trở nên khó khăn Các thành phần như cuộn cảm và máy biến áp không thể tích hợp vào vi mạch điện tử và phải được kết nối bên ngoài các chân bán dẫn Việc lắp ráp PNP cao cấp cũng gặp nhiều khó khăn Hiệu suất hoạt động của IC giảm khi nhiệt độ tăng cao hoặc khi xử lý không đúng cách, và việc đạt được hệ số nhiệt độ thấp là một thách thức Ngoài ra, việc chế tạo IC có độ ồn thấp cũng gặp khó khăn, trong khi các tụ điện vượt quá 30pF thường phải được kết nối bên ngoài IC Cuối cùng, giá trị điện trở bão hòa của bóng bán dẫn thường lớn.
Tổng kết chương
Chương này phân tích ưu và nhược điểm của IC, nêu rõ các đặc tính và hạn chế cần thiết để vi mạch điện tử hoạt động hiệu quả Tác giả chỉ ra rằng IC có những ưu điểm như tiết kiệm điện, độ ổn định cao và tốc độ xử lý nhanh Để hoàn thiện IC, cần xem xét nhiều yếu tố, không chỉ đơn thuần là chế tạo mà còn phải tìm hiểu cả lợi ích và hạn chế của nó.
ỨNG DỤNG
Phân loại IC
Ngày nay, IC (mạch tích hợp) đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử nhờ vào các chức năng đa dạng mà nó cung cấp Trên thị trường hiện có nhiều loại IC với cấu trúc và chức năng phong phú, phù hợp với nhu cầu sử dụng của từng thiết bị và lĩnh vực khác nhau.
4.1.1 Phân loại IC theo khả năng xử lý tín hiệu
Phân thành 3 nhóm dựa vào loại tín hiệu mà IC có thể xử lý là: tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital)
IC số (digital IC) là loại vi mạch có khả năng xử lý tín hiệu rời rạc dựa trên mức logic 0 và 1, cũng như các tín hiệu canh lên, canh xuống Các loại IC số phổ biến bao gồm vi mạch cổng AND, đảo, OR, mạch đếm và MUX, với các thành phần chính như cổng logic, Latch và Flip-flop.
IC tương tự (Analog IC) là vi mạch chuyên xử lý các tín hiệu liên tục dựa trên các yếu tố như tần số, dòng điện và điện áp Các thành phần chính của loại IC này bao gồm transistor, tụ điện, điện trở và cuộn cảm Một số ví dụ điển hình về IC tương tự là chip ổn áp và mạch khuếch đại thuật toán OP-AMP.
IC tín hiệu hỗn hợp (Mixed-signal IC): vi mạch này tích hợp cả xử lý tín hiệu số và tương tự
4.1.2 Phân loại IC dựa vào số lượng transistor/CMOS/số cổng (gate) có trong vi mạch
Với tiêu chí phân loại này chúng ta có các nhóm cụ thể như sau:
IC mật độ tích hợp thấp SSI (Small Scale Integration): vi mạch tổng hợp có khoảng vài đến vài chục transistor
IC mật độ tích hợp trung bình MSI (Medium Scale Integration): vi mạch có khoảng vài tram transistor
Hình 4 1: Các loại IC khác nhau
IC mật độ tích hợp cao (Large Scale Integration): chip chứa khoảng vài nghìn transistor
IC mật độ tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integration):
IC có khoảng vài chục nghìn transistor
IC mật độ tích hợp siêu cao ULSI (Ultra Large Scale Integration):
IC này có khoảng vài triệu transistor
IC mật độ tích hợp cực cao GSI (Giant Scale Integration): IC có từ vài tram triệu transistor trở lên
Tuy nhiên phân chia theo cách này rất khó để phân biệt và lựa chọn loại
4.1.3 Phân loại dựa vào mức độ tích hợp
Dựa vào khả năng tích hợp có thể chia vi mạch tổng hợp thành một số loại là SSI và MSI, LSI, ULSI, VLSI (CPU, ROM, RAM, GPU, PLA…).
4.1.4 Phân loại dựa vào công nghệ chế tạo
Monolithic: Các phần tử của IC được đặt trên cùng phần nền vật liệu bán dẫn đơn tinh thể.
Mạch màng mỏng, chủ yếu được sử dụng trong mạng điện trở, được tạo ra thông qua quy trình lắng đọng trên thủy tinh với độ chính xác cao Quy trình sản xuất này rất nghiêm ngặt, đảm bảo chất lượng tối ưu Đặc biệt, mạch màng mỏng có vai trò quan trọng trong sản xuất màn hình phẳng nhờ vào khả năng phủ và bảo vệ tốt.
Loại còn lại là lai mạch dày kết hợp với chip.
Ứng dụng IC trong các lĩnh vực
Theo công dụng của IC ta có thể phân làm:
- CPU, vi xử lý trong máy tính.
- Thu nhỏ chip trong công nghệ RFID
- FPGA (Field-programmable gate array)
Ứng dụng của thiết bị mạch bán dẫn
Thiết bị bán dẫn được tạo ra từ các vật liệu không dẫn điện tốt cũng như không cách điện tốt, nhưng với độ tin cậy cao, kích thước nhỏ gọn và chi phí sản xuất thấp, chúng đã trở nên phổ biến Chúng được sử dụng rời rạc trong các thiết bị điện và cảm biến quang học, bao gồm cả laser ở trạng thái rắn Ngoài ra, thiết bị bán dẫn có khả năng xử lý dòng điện lên đến 5000A và điện áp vượt quá 100.000V Đặc biệt, chúng cho phép tích hợp vào các mạch vi điện tử phức tạp, đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống điện tử hiện đại, bao gồm truyền thông với thiết bị xử lý dữ liệu, người tiêu dùng và thiết bị điều khiển công nghiệp.
Hình 4 2: Hình ảnh cho thấy sự phổ biến của bán dẫn
Ứng dụng thiết bị bán dẫn
Các loại bóng bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cổng logic, giúp thiết kế mạch kỹ thuật số như bộ vi xử lý Chúng hoạt động với tốc độ nhanh chóng, tương tự như công tắc, mang lại hiệu suất cao cho các ứng dụng điện tử.
Các bóng bán dẫn trong mạch tương tự không chỉ hoạt động như công tắc bật-tắt, mà chúng còn đáp ứng với phạm vi đầu vào và đầu ra liên tục Những mạch tương tự phổ biến bao gồm bộ tạo dao động và bộ khuếch đại Để giao tiếp giữa mạch tương tự và mạch số, người ta sử dụng các mạch tín hiệu hỗn hợp.
Dưới đây là một số hình ảnh ví dụ:
Hình 4 3: Hình ảnh các chip bán dẫn Hình 4 4: Các bóng bán dẫn
Tổng kết chương
Chương này trình bày các ứng dụng của linh kiện bán dẫn và IC, đồng thời phân loại các loại IC cùng với ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Điều này cho thấy sự đa dạng của IC và tầm quan trọng của việc lựa chọn loại IC phù hợp cho từng thiết bị.
Hình 4 5: Bản mạch IC Hình 4 6: Hình ảnh bóng bán dẫn dưới góc nhìn phóng đại