2. Transistor trường MOSFET loại có kênh tạo sẵn
5.9.3. Góc mở và công suất phun
1. Góc mở
Cá c tia sá ng ở giữa sợ i quang đa mốt đư ợ c truyền đi nhờ sự phản xạ ở mặt phân cá ch giữa tâm vớ i vỏ. Chỉ cá c tia sá ng có góc tớ i có thể so sá nh đư ợ c vớ i cá c góc tớ i hạ n θCR là đư ợ c phản xạ toàn phần (hình 5.23). Góc tớ i hạ n đư ợ c xá c định từ cá c hệ thức sau đây:
A B A CR n n n 2 2 2 2 2 arcsin − =
Hệ thức giữa góc tớ i của cá c tia tớ i xuyên vào tâm của cá c sợ i quang và góc tớ i hạ nθCRlà: Sinθ = nAsinθCR.
Góc đặc thu quang = 2θmax.
0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 λ (μm) A dB/km Cửa sổ 1 0,85μm Cửa sổ 2 1,3μm Cửa sổ3 1,55μm 60 10 5
Hình 5.22: Sự suy giảm theo bước sóng của sợi quang
nB nA θCR Góc đặc thu quang
Đ ộ mở số ON của một sợ i quang là sin của góc mở cực đạ i θmax mà đối vớ i góc này thì tất cả cá c tia sá ng sẽ đư ợ c phản xạ ở mạ ch phân cá ch giữa tâm và vỏ. Như vậy:
ON=Sinθmax , ON= nθsinθCR
ON= nA +nB nA −nB
2. Công suất phun
Nếu mặt phá t xạ nhỏ hơn hoặc bằng mật cắt ngang của tâm và tiếp xúc tốt vớ i nó thì công suất liên kếtφC trong sợ i quang vớ i chiết suất nhảy bậc sẽ
đư ợ c tính như sau: 2
0 2 2 4 De R ON C = .
Trong đó: De là đư ờng kính của mặt phá t xạ . R0là nă ng lư ợ ng chiếu sá ng trong trục. Nếu đư ờng kính của tâm Dc < De thì:
2 0 2 2 4 Dc R ON C =
5.9.4. Các đặc trưng của sợi quang
1. Sợi quang đa mốt với chiết suất nhảy bậc
- Đ ư ờng kính của tâm: 100 đến 200μm. - Lớ p vỏ đến 600μm
- Kích thư ớ c chuẩn: 100x400μm
- Số mốt liên tiếp đư ợ c truyền trong sợ i quang là rất lớ n. Sự tá n sắc này hạ n chế bă ng truyền trong khoảng giữa 10 và 100MHz.km vớ i độ mất má t từ 5 đến 10 dB/km.
- Đ ộ mở số: 0,16 đến 0,20
2.Sợi quang đa mốt với chiết suất thay đổi gradient
- Đ ư ờng kính của tâm: 50μm. - Lớ p vỏ: 125μm
- Cá c tia sá ng chiếu xiên đư ợ c truyền đi nhanh hơn cá c tia sá ng ở gần tâm khi đư ờng truyền càng dàị Như vậy độ tá n sắc có thể đư ợ c giảm bớ t giữa cá c mốt.
- Giải thông có thể đạ t đến 200MHz.km đến 1GHz.km vớ i độ mất má t từ 0,2 đến 0,5 dB/km.
- Đ ộ mở số: 0,25 3.Sợi quang đơn mốt
- Đ ư ờng kính của tâm: 5 đến 8μm. - Lớ p vỏ: 125μm
- Đ ư ờng mở số đư ợ c thu nhỏ (0,03) vì chỉ có một mốt đư ợ c truyền trong sợ i quang. Vì vậy sợ i quang này không có độ tá n sắc về mốt.
- Giải thông lớ n nhất có thể đạ t đến 10 GHz.km vớ i độ mất má t từ 1 đến 4 dB/km.
- Đ ộ mở số: 0,25
4. Các cửa sổ đã được sử dụng
Cá c sợ i quang đa mốt chủ yếu đư ợ c sử dụng để truyền á nh sá ng trong cá c cửa sổ thứ nhất. Còn cá c sợ i quang đơn mốt đư ợ c dù ng để truyền cá c loạ i á nh sá ng trong cá c cửa sổ thứ hai và thứ bạ
Câu hỏi ôn tập
1. Cấu tạ o, nguyên lý làm việc, cá c thông số đặc trư ng cho LED?
2. Đ iều kiện bức xạ , cơ chế bức xạ laser, đặc trư ng kỹ thuật của diode laser? ứng dụng của diode laser?
3. Cấu tạ o, nguyên lý làm việc, ứng dụng của photo diode, photo BJT, photo FET, photo thyristor?
4. Cấu tạ o, nguyên lý làm việc, ứng dụng của opto couplers, công tắc á nh sá ng, điện trở quang?
5. Cấu tạ o, nguyên tắc truyền á nh sá ng của cá c loạ i sợ i quang? Cá c đặc trư ng của sợ i quang? So sá nh ư u, như ợ c điểm của sợ i quang và cá c loạ i cá p thông tin khá c dù ng trong quá trình truyền tin?
6. Phân tích nguyên lý là việc của một số mạ ch điện: tự động đóng cắt đè n chiếu sá ng, mạ ch tự động bá o đứt sợ i dù ng trong má y dệt, mạ ch tự động bá o động khi phá t hiện chá ỵ
8. Tra cứu, cho biết loạ i và thông số của cá c loạ i linh kiện sau: V130ZA1, V150LA5, T533N, T1503N,
Chương 6
Vi mạch (Intergrated circuit- IC)
6.1. Khái niệm về vi mạch (IC)
Vi mạch (IC – Intergated Circuit) là một mạch điện tử thực hiện một chức năng nào đó (function device) mà các thành phần tích cực và thụ động đều được chế tạo tích hợp trên một đế, đế này có thể là một phiến bán dẫn (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện.
Những vi mạch đầu tiên được sản xuất ngay từ năm 1959 theo công nghệ lưỡng cực “bipolar” và đến năm 1962 bắt đầu theo công nghệ MOS. Cho đến nay, mật độ tích hợp không ngừng được nâng caọ Hình 6.1 cho thấy sự tăng trưởng nhanh chóng mật độ tích hợp này trên từng loại vi mạch.
Micro 32bít Micro 16bít Micro – processor 8bít RAM 4M RAM 1 RAM 256K RAM 64K RAM 16K RAM 4K Má y tính Số lư ợ ng Tranzito mạ ch 107 106 105 104 103 102 10 1 1960 65 70 75 80 85 90 95 Nă m
Người ta thấy rằng, vào thời kỳ đầu, cứ mỗi năm mật độ này tăng lên gấp đôi, sau đó tốc độ này giảm đi đôi chút cứ sau hai năm nó lại tăng gấp đôị Đến năm 1990 thì đã đạt tới 107 linh kiện trong một vi mạch. Cũng trong thời gian này, giá thành trên một đơn vị thông tin của transistor trong các vi mạch ULSI giảm từ 1 đến 104. Đồng thời đường kính của thanh đơn tinh thể silic cũng tăng từ 25,4 mm tới 250mm và diện tích bề mặt của nó cũng tăng từ 490 đến 10000mm2.
Kỹ thuật quang khắc cũng ngày một tinh xảo hơn. Chẳng hạn 1985 kỹ thuật quang khắc chỉ đạt 2àm thì đến năm 1988 nó đạt tới 1àm, năm 2000 đạt tới 0,4
àm trên đơn tinh thể silic. Với công nghệ MOS cho phép tạo được những vi mạch có mật độ caọ
Mức độ phức tạp trong từng loại vi mạch cho thấy trên bảng 6.1.
Bảng 6.1: so sánh mức độ phức tạp trong từng loại vi mạch
Loại IC
Số lượng chức năng Số lượng transistor Diện tích bề mặt của mỗi vi mạch
SSI 2 đến 20 100 3 mm2
MSI 20 đến 100 500 8 mm2
LSI 100 đến 50 000 100 000 20 mm2
VLSI 50 000 đến 100 000 250 000 40 mm2
ULSI 100 000 đến 4 000 000 1triệu đến 4 triệu 70 mm2đến 150 mm2
SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mô nhỏ
MSI: Medium scale integration: Tích hợp qui mô trung bình LSI: Large scale integration: Tích hợp qui mô lớn
VLSI: Verry large scale integration: Tích hợp qui mô rất lớn ULSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mô khổng lồ
6.1.1. Ưu, nhược điểm của vi mạch
So với các linh kiện rời, vi mạch có rất nhiều ưu điểm. Đó là: - Giá thành rất rẻ do sản xuất hàng loạt.
- Sự tiến bộ của công nghệ vi mạch cho phép rút gọn số lượng các vi mạch cho cùng một chức năng.
- Độ tin cậy tốt: tỉ lệ hư hỏng dưới 0,15/106 giờ/mạch. - Tiêu thụ năng lượng càng ngày càng được giảm bớt.
- Thoả mãn độ ổn định ở nhiệt độ caọ
- Tuổi thọ caọ Tuổi thọ trung bình t của một hệ thống điện tử gồm n thành phần sẽ là : n t t t t 1 ... 1 1 1 2 1 + + + = . Nếu t1= t2=…= tnthì n t t= i
Vậy nếu một transistor có tuổi thọ là 108h, thì một thiết bịchế tạ o bằng linh kiện rời gồm 500000 transistor sẽ chỉ có tuổi thọ 200
10 . 5 10 5 8 = giờ. Khi dù ng IC do cá c thành phần trong IC đư ợ c chế tạ o đồng thời và cũng cù ng phư ơng phá p, nên tuổi thọ IC xấp xỉtuổi thọ một transistor.
Tuy nhiên vi mạ ch cũng có như ợ c điểm:
- Trang bị cho nghiên cứu và sản xuất cá c vi mạ ch mớ i rất caọ - Công suất tiêu tá n của mỗi mạ ch bị hạ n chế.
- Cuộn cảm khá ng không thể sản xuất trong vi mạ ch đư ợ c. - Ngư ời sử dụng không thể biến đổi đư ợ c vi mạ ch.
Mặc dù có những như ợ c điểm, như ng cá c loạ i vi mạ ch đư ợ c sản xuất ngày càng nhiều, nhất là trong lĩnh vực vi xử lý bởi vì trong lĩnh vực này tín hiệu có công suất nhỏ và yêu cầu chức nă ng xử lý cao và phức tạ p.
6.1.2. Các nguyên tắc cơ bản để xây dựng một vi mạch
Một vi mạ ch không chỉ là sự tổ hợ p trực tiếp cá c linh kiện rời rạ c mà phải tuân theo một số cá c nguyên tắc sau đâỵ
- Chứa đựng toàn bộ sơ đồ như một mạ ch điện hoàn chỉnh để sao cho cần ít nhất cá c linh kiện rời mắc bên ngoàị Vi mạ ch sẽ không còn ý nghĩa nếu cá c linh kiện mắc thêm bên ngoài để có thể tích lớ n hơn thể tích của vi mạ ch. Nhờ sự tiến bộ của công nghệ tích hợ p mà đến nay không còn cá c loạ i vi mạ ch phải dù ng đến cá c linh kiện rời để thực hiện cá c chức nă ng điện tử của nó nữa, mà có thể thực hiện một hay nhiều chức nă ng.
- Chọn loạ i linh kiện để sao cho nó chiếm ít diện tích nhất ở trong mỗi “ chip” . Đ iều này đư ợ c thực hiện bằng cá ch giảm thiểu cá c linh kiện thụ động như điện trở tụ điện vì cá c linh kiện loạ i này chiếm diện tích bề mặt rất lớ n so vớ i cá c linh kiện tích cực. Do vậy, để tă ng mức độ tích hợ p cần thay thế cá c linh kiện thụ động bằng cá c linh kiện tích cực.
- Sử dụng cá c tầng khuếch đạ i vi phân để giảm tiêu tá n nhiệt độ ở trong mạ ch. Hơn nữa, cá c bộ khuếch đạ i vi phân rất dễ đư ợ c thực hiện về phư ơng diện công nghệ và thể tích của chũng cũng đư ợ c rút bớ t đá ng kể.
- Sử dụng tối đa cá c tải tích cực trên cá c collector , có nghĩa là cá c nguồn dòng có trở khá ng caọ
- Tính đến cá c hạ n chế của cá c yếu tố tích cực: nên sử dụng cá c transistor n-p-n vì hiệu nă ng của nó tốt hơn cá c loạ i p-n-p.
Chú ý đến cá c đặc trư ng của cá c điện trở khuếch tá n: giớ i hạ n về giá trị, độ sai số, thếchịu đư ợ c và độ ổn định của chúng. Cá c điện trở có độ chính xá c cao không thể chế tạ o bằng vi mạ ch đư ợ c mà phải mắc ở bên ngoài vi mạ ch, trong trư ờng hợ p này phải để chân ra cho nó.
- Tính đến cá c diode ký sinh phân cực ngư ợ c trong mạ ch: cá c ngă n giữa chất cá ch điện - đế, giữa collector - đế, điển trở- ngă n cá ch cũng như cá c tụ điện MOS vớ i cá c dây nối bằng nhôm trên SiO2(80pF/mm2).
- Hạ n chế bớ t cá c chân ra để không cần thiết phải dù ng cá c vỏ có kích thư ớ c lớ n. Tuy nhiên vớ i độ phức tạ p cá c hệ thống vi mạ ch có thể có cá c vi mạ ch có 300 chân rạ
- Chú ý đến công suất cực đạ i đư ợ c phép tiêu tá n của vi mạ ch để dù ng hoặc không dù ng cá c vỏ có cá nh toả nhiệt.
- Chọn công nghệ thích hợ p cho tất cả cá c linh kiện của mạ ch. Thực vậy, sẽ có nhiều khó khă n nếu thực hiện nhiều công nghệ khá c nhau trên cù ng một vi mạ ch. Tuy nhiên, công nghệ Bi- CMOS cũng là công nghệ hoàn chỉnh ứng dụng cá c ư u điểm của mỗi loạ ị
6.1.3. Phân loại vi mạch
1. Phân loại theo qui trình sản xuất
Dựa trên qui trình sản xuất, có thể chia IC ra làm 3 loạ i: a)IC màng (film IC)
Trên một đế bằng chất cá ch điện, dù ng cá c lớ p màng tạ o nên cá c thành phần khá c. Loạ i này chỉ gồm cá c thành phần thụ động như điện trở, tụ điện, và cuộn cảm. Dây nối giữa cá c bộ phận: dù ng màng kim loạ i có điện trở suất nhỏ như Au, Al, Cu…
Đ iện trở: dù ng màng kim loạ i hoặc hợ p kim có điện trở suất lớ n như Ni-Cr; Ni-Cr-Al; Cr-Si; Cr có thể tạ o nên điện trở có trị số rất lớ n.
Tụ điện: dù ng màng kim loạ i để đóng vai trò bản cực và dù ng màng điện môi SiO2, Al2O3, Ta2O5. Tuy nhiên khó tạ o đư ợ c tụ điện có điện dung lớ n hơn 0,02 F/cm2.
Cuộn cảm: dù ng một màng kim loạ i hình xoắn. Tuy nhiên khó tạ o đư ợ c cuộn cảm lớ n quá 5H vớ i kích thư ớ c hợ p lý. Trong sơ đồ IC, ngư ời ta trá nh dù ng cuộn cảm để không chiếm thểtích.
Cá ch điện giữa cá c bộ phận dù ng: SiO; SiO2, Al2O3.
Có một thời, transistor màng mỏng đư ợ c nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng chế tạ o IC. Như ng tiếc là transistor màng chư a đạ t đến giai đoạ n thực dụng, nếu không phải là ít có triển vọng thực dụng.
b) IC đơn tính thể (Monolithic IC)
Còn gọi là IC bá n dẫn (Semiconductor IC) – là IC dù ng một đế (Subtrate) bằng chất bá n dẫn (thư ờng là Si). Trên (hay trong) đế đó, ngư ời ta chế tạ o transistor, diode, điện trở, tụ điện, rồi dù ng chất cá ch điện SiO2để phủ lên che chở cho cá c bộ phận đó trên lớ p SiO2, dù ng màng kim loạ i để nối cá c bộ phận vớ i nhaụ
Transistor, diode đều là cá c bộ phận bá n dẫn.
Đ iện trở: đư ợ c chế tạ o bằng cá ch lợ i dụng điện trở của lớ p bá n dẫn có khuyếch tá n tạ p chất.
Tụ điện: đư ợ c chế tạ o bằng cá ch lợ i dụng điện dung của vù ng hiếm tạ i một tiếp giá p P-N phân cực nghịch.
Đ ôi khi ngư ời ta có thể thêm những thành phần khá c của cá c thành phần kể trên để dù ng cho cá c mục đích đặc thù
Cá c thành phần trên đư ợ c chế tạ o thành một số rất nhiều trên cù ng một chíp. Có rất nhiều mối nối giữa chúng và chúng đư ợ c cá ch ly nhờ những tiếp giá p P-N bị phân cực nghịch (điện trở hàng tră m MΩ)
c)IC lai (hybrid IC)
Từ vi mạ ch màng mỏng (chỉ chứa cá c thành phần thụ động), ngư ời ta gắn ngay trên đế của nó những thành phần tích cực (transistor, diode) tạ i những nơi đã dành sẵn. Cá c transistor và diode gắn trong mạ ch lai không cần có vỏ hay đế riêng, mà chỉ cần đư ợ c bảo vệ bằng một lớ p men trá ng.
Ư u điểm của mạ ch lai là:
Có thể tạ o đư ợ c nhiều IC (digital hay analog)
Có khả nă ng tạ o ra cá c phần tử thụ động có cá c giá trị khá c nhau vớ i sai số nhỏ.
Có khả nă ng đặt trên một đế, cá c phần tử màng mỏng, cá c transistor, diode và ngay cả cá c loạ i IC bá n dẫn.
Thực ra khi chế tạ o, ngư ời ta có thể dù ng qui trình phối hợ p. Cá c thành phần tá c động đư ợ c chế tạ o theo cá c thành phần kỹ thuật planar, còn cá c thành phần thụ động thì theo kỹ thuật màng. Như ng vì quá trình chế tạ o cá c thành phần tá c động và thụ động đư ợ c thực hiện không đồng thời nên cá c đặc tính và thông số của cá c thành phần thụ động không phụ thuộc vào cá c đặc tính và thông số của cá c thành phần tá c động mà chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu, bề dày và hình dá ng. Ngoài ra, vì cá c transitor của IC loạ i này nằm trong đế, nên kích thư ớ c IC đư ợ c thu nhỏ nhiều so vớ i IC chứa transistor rờị
IC đư ợ c chế tạ o bằng qui trình phối hợ p của nhiều ư u điểm. Vớ i kỹ thuật màng, trên một diện tích nhỏ có thể tạ o ra một điện trở có giá trị lớ n, có hệ số nhiệt nhỏ. Đ iều khiển tốc độ ngư ng động của màng, có thể tạ o ra một màng điện trở vớ i độ chính xá c rất caọ
2. Phân loại theo chức năng xử lý tín hiệu
Dựa trên chức nă ng xử lý tín hiệu, ngư ời ta chia IC làm hai loạ i: IC Digital (IC số) và IC Analog (IC tuyến tính)
a) IC Digital
Là loạ i IC xử lý tín hiệu số. Tín hiệu số (digital signal) là tín hiệu có trị giá nhị phân (0 và 1). Hai mức điện thế tư ơng ứng vớ i hai trị giá (hai logic) đó là:
Mức Low (thấp): 0V đối vớ i IC CMOS và 0,3V đối vớ i IC TTL
Thông thư ờng logic 1 tư ơng ứng vớ i mức H, logic 0 tư ơng ứng vớ i mức L. Logic 1 và logic 0 để chỉ hai trạ ng thá i đối nghịch nhau: đóng và mở, đúng và sai, cao và thấp…
Về công nghệ chế tạ o, IC digital gồm cá c loạ i: RTL: Resistor – Transistor logic
DTL: Diode - Transistor logic TTL: Transistor - Transistor logic MOS: Metal – Oxyde Semiconductor CMOS: Complementary MOS
b) IC analog
IC analog là loạ i IC xử lý tín hiệu analog, đó là loạ i tín hiệu biến đổi liên tục. So vớ i IC Digital, loạ i IC Analog phá t triển chậm hơn. Một lý do là vì IC Analog phần lớ n đều là mạ ch chuyên dụng (special use), trừ một vài trư ờng hợ p đặc biệt