Sơ lược IC Sơ lược IC Bởi: Trương Văn Tám KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ IC (Intergated-Circuit) mạch điện tử mà thành phần tác động thụ động chế tạo kết tụ đế (subtrate) hay thân tách rời Đế này, phiến bán dẫn (hầu hết Si) phiến cách điện Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron đựng vỏ kim lọai plastic Những IC thường phận chức (function device) tức phận có khả thể chức điện tử Sự kết tụ (integration) thành phần mạch điện tử phận cấu thành hệ thống điện tử hướng tìm tòi theo đuổi từ lâu ngành điện tử Nhu cầu kết tụ phát minh từ kết tụ tất nhiên mạch hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, từ nhỏ đến lớn, từ tần số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh) Sự tiến triển hậu tất yếu nhu cầu ngày tăng việc xử lý lượng tin tức (information) ngày nhiều xã hội phát triển Những hệ thống điện tử công phu phức tạp gồm nhiều thành phần, phận Do nảy nhiều vấn đề cần giải quyết: Khoảng không gian mà số lượng lớn thành phần chiếm đoạt (thể tích) Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu, hàng vài chục triệu phận rời Nếu không thực mạch IC, thể tích lớn cách bất tiện mà điện cung cấp cho vô phức tạp Mà có thỏa mãn nữa, máy không thực dụng Độ khả tín (reliability) hệ thống điện tử: độ đáng tin cậy hoạt động theo tiêu chuẩn thiết kế Độ khả tín hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín thành phần cấu thành phận nối tiếp chúng Hệ thống cáng phức tạp, số phận tăng chỗ nối tiếp nhiều Vì vậy, dùng phận rời cho hệ thống phức tạp, độ khả tín giảm thấp Một hệ thống trục trặc nhanh 1/7 Sơ lược IC Tuổi thọ trung bình t hệ thống điện tử gồm n thành phần là: t = t1 + t2 + + t n Nếu t1=t2= =tn t = ti n Vậy transistor có tuổi thọ 108h, máy tính gồm 500000 ngàn transistor có tuổi thọ 108 5.105 = 200giôø Các thành phần IC chế tạo đồng thời phương pháp, nên tuổi thọ IC xấp xỉ tuổi thọ transistor Planar Một hệ thống (hay máy) điện tử có cấu tạo hình vẽ: Vật liệuBộ phận linh kiệnBộ phận linh kiệnMạch điện tử bảnBộ phận cấu thành hệ thốngHệ thống điện tử thốnfBộ phận chức Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực giai đoạn phận chức Song khái niệm kết tụ không thiết dừng lại giai đoạn Người ta nỗ lực để kết tụ với mật độ cực cao IC, nằm hướng tới việc kết tụ toàn thể hệ thống điện tử phiếm (chíp) Năm 1947 1950 1961 Công nghệ Phát minh Linh kiện SSI Transi- rời stor Số Transistor chip sản phẩm thương mại Các sản phẩm tiêu biểu Linh kiện BJTDiode planar, Cổng logic, 10 1966 1971 1980 1985 1990 MSI LSI VLSI ULSI GSI 100?1000 1000?20000 20000?500000 >500000 >10000 Mạch đếm, đa hợp, mạch cộng Vi xử lý bit, ROM, RAM Vi xử lý chuyên Vi xử lý 16 dụng, xử 32 bit lý ảnh, thờI 2/7 Sơ lược IC Flip Flop gian thực SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mô nhỏ MSI: Medium scale intergration: Tích hợp qui mô trung bình LSI: Large scale integration: Tích hợp theo qui mô lớn GSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mô khổng lồ Tóm lại, công nhệ IC đưa đến điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời sau: - Giá thành sản phẩm hạ - Kích cỡ nhỏ - Độ khả tín cao (tất thành phần chế tạo lúc điểm hàn, nối) - Tăng chất lượng (do giá thành hạ, mặt phức tạp chọn để hệ thống đạt đến tính tốt nhất) - Các linh kiện phối hợp tốt (matched) Vì tất transistor chế tạo đồng thời qui trình nên thông số tương ứng chúng có độ lớn biến thiên nhiệt độ - Tuổi thọ cao CÁC LOẠI IC Dựa qui trình sản xuất, chia IC làm loại: IC màng (film IC): Trên đế chất cách điện, dùng lớp màng tạo nên thành phần khác Loại gồm thành phần thụ động điện trở, tụ điện, cuộn cảm mà • Dây nối phận: Dùng màng kim loại có điện trở súât nhỏ Au, Al,Cu • Điện trở: Dùng màng kim loại hợp kim có điện trở suất lớn Ni-Cr; Ni-Cr-Al; Cr-Si; Cr tạo nên điện trở có trị số lớn 3/7 Sơ lược IC • Tụ điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trò cực dùng màng điện môi SiO; SiO2, Al2O3; Ta2O5 Tuy nhiên khó tạo tụ có điện dung lớn 0,02?F/cm2 • Cuộn cảm: dùng màng kim loại hình xoắn Tuy nhiên khó tạo cuộn cảm lớn 5?H với kích thước hợplý Trong sơ đồ IC, người ta tránh dùng cuộn cảm để không chiếm thể tích • Cách điện phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3 Có thời, Transistor màng mỏng nghiên cứu nhiều để ứng dụng vào IC màng Nhưng tiếc transistor màng chưa đạt đến giai đoận thực dụng, có triển vọng thực dụng IC đơn tính thể (Monolithic IC): Còn gọi IC bán dẫn (Semiconductor IC) – IC dùng đế (Subtrate) chất bán dẫn (thường Si) Trên (hay trong) đế đó, người ta chế tạo transistor, diode, điện trở, tụ điện Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho phận lớp SiO2, dùng màng kim loại để nối phận với • Transistor, diode phận bán dẫn • Điện trở: chế tạo cách lợi dụng điện trở lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất • Tụ điện: Được chế tạo cách lợi dụng điện dung vùng nối P-N bị phân cực nghịch Đôi người ta thêm thành phần khác thành phần kể để dùng cho mục đích đặc thù Các thành phần chế tạo thành số nhiều chip Có nhiều mối nối chúng chúng cách ly nhờ nối P-N bị phân cực nghịch (điện trở có hàng trăm M?) IC lai (hibrid IC) Là loại IC lai hai loại Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa thành phần thụ động), người ta gắn đế thành phần tích cực (transistor, diode) nơi dành sẵn Các transistor diode gắn mạch lai không cần có vỏ hay để riêng, mà cần bảo vệ lớp men tráng Ưu điểm mạch lai là: • Có thể tạo nhiều IC (Digital hay Analog) 4/7 Sơ lược IC • Có khả tạo phần tử thụ động có giá trị khác với sai số nhỏ • Có khả đặt đế, phần tử màng mỏng, transistor, diode loại IC bán dẫn Thực chế tạo, người ta dùng qui trình phối hợp Các thành phần tác động chế tạo theo thành phần kỹ thuật planar, thành phần thụ động theo kỹ thuật màng Nhưng trình chế tạo thành phần tác động thụ động thực không đồng thời nên đặc tính thông số thành phần thụ động không phụ thuộc vào đặc tính thông số thành phần tác động mà phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu, bề dầy hình dáng Ngoài ra, transistor IC loại nằm đế, nên kích thước IC thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời IC chế tạo qui trình phối hợp nhiều ưu điểm Với kỹ thuật màng, diện tích nhỏ tạo điện trở có giá trị lớn, hệ số nhiệt nhỏ Điều khiển tốc độ ngưng động màng, tạo màng điện trở với độ xác cao SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC ĐƠN TINH THỂ Các giai đoạn chế tạo IC đơn tinh thể có thành phần tác động BJT, đơn giản hóa gồm bước sau: 0.15mm25 – 75mmn - SiNền P-Si0.025mm0.15mmn - SiNền P-Si0.5?mSiO2Hình 1Bước 1: a Từ P-Si (hoặc n-Si) đơn tinh thể b Tạo lớp epitaxy mỏng loại N-Si c Phủ lớp cách điện SiO2 Bước 2: Dùng phương pháp quang khắc để khử lớp SiO2 số chỗ định, tạo cửa sổ bề mặt tinh thể Từ cửa sổ, khuếch tán tạp chất vào Đầu tiên, vẽ sơ đồ nơi cần mở cửa sổ, chụp hình sơ đồ lấy phim âm bản, thu nhỏ lại Những nơi cần mở sổ vùng tối phim P-SifilmuvChất cảm quangSiO2n-SiP-SiChất cảm quangSiO2n-SiHòa tanRắn lạiPSiSiO2n-SiHòa tanThânPnnSiO2Khuếch tán pĐảoNềnPnnSiO2Khuếch tán BaseppNềnPnnSiO2Khuếch tán EmitterppnnHình 2a Bôi lớp cản quang bề mặt Đặt phim rọi tia cực tím vào nơi cần mở cửa sổ lớp đen 5/7 Sơ lược IC phim bảo vệ Nhúng tinh thể vào dung dịch tricloetylen Chỉ nơi cần mở cửa sổ lớp cản quang bị hòa tan, nơi khác rắn lại b.Lại đem tinh thể nhúng vào dung dịch fluorhydric Chỉ nơi cần mở cửa sổ lớp SiO2 bị hòa tan, nơi khác nhờ lớp cản quang che chở c Đem tẩy lớp cản quang d Khuếch tán chất bán dẫn P sâu đến thân, tạo đảo N e Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn P vào đảo N (khuếch tán Base) f Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn N vào (khuếch tán Emitter) g Phủ kim loại Thực chỗ nối Thí dụ: Một mạch điện đơn giản sau, chế tạo dạng IC đơn tinh thể Hình Thân pnpnpn+npn+n+n+n+Điện trở2Diode1Transistor5 AlSiO2CollectorBaseEmitterTiếp xúc kim loạiHình 4Diode nối3Kim loại IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG) Dựa chức xử lý tín hiệu, người ta chia IC hai loại: IC Digital IC Analog (còn gọi IC tuyến tính) IC Digital: Là loại IC xử lý tín hiệu số Tín hiệu số (Digital signal) tín hiệu có trị giá nhị phân (0 1) Hai mức điện tương ứng với hai trị giá (hai logic) là: - Mức High (cao): 5V IC CMOS 3,6V IC TTL 6/7 Sơ lược IC - Mức Low (thấp): 0V IC CMOS 0,3V IC TTL Thông thường logic tương ứng với mức H, logic tương ứng với mức L Logic logic để hai trạng thái đối nghịch nhau: Đóng mở, sai, cao thấp… Chủng loại IC digital không nhiều Chúng gồm số loại mạch logic bản, gọi cổng logic Về công nghệ chế tạo, IC digital gồm loại: - RTL: Resistor – Transistor logic - DTL: Diode – Transistor logic - TTL: Transistor – Transistor logic - MOS: metal – oxide Semiconductor - CMOS: Complementary MOS IC analog: Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, loại tín hiệu biến đổi liên tục so với IC Digital, loại IC Analog phát triển chậm Một lý IC Analog phần lớn mạch chuyện dụng (special use), trừ vài trường hợp đặc biệt OP-AMP (IC khuếch đại thuật toán), khuếch đại Video mạch phổ dụng (universal use) Do để thoả mãn nhu cầu sử dụng, người ta phải thiết kế, chế tạo nhiều loại khác Tài liệu tham khảo ********** Fleeman - Electronic Devices, Discrete and Intergrated - Printice - Hall International-1998 Boylestad and Nashelky - Electronic Devices and Circuit Theory - Printice Hall International 1998 J.Millman - Micro electronics, Digital and Analog, Circuits and Systems Mc.Graw.Hill Book Company - 1979 Nguyễn Hữu Phương - Điện tử trung cấp - Sở Giáo Dục & Đào Tạo TP HCM-1992 7/7 ... (hai logic) là: - Mức High (cao): 5V IC CMOS 3,6V IC TTL 6/7 Sơ lược IC - Mức Low (thấp): 0V IC CMOS 0,3V IC TTL Thông thường logic tương ứng với mức H, logic tương ứng với mức L Logic logic để... màng chưa đạt đến giai đoận thực dụng, có triển vọng thực dụng IC đơn tính thể (Monolithic IC) : Còn gọi IC bán dẫn (Semiconductor IC) – IC dùng đế (Subtrate) chất bán dẫn (thường Si) Trên (hay trong)... Chủng loại IC digital không nhiều Chúng gồm số loại mạch logic bản, gọi cổng logic Về công nghệ chế tạo, IC digital gồm loại: - RTL: Resistor – Transistor logic - DTL: Diode – Transistor logic - TTL: