Bài giảng môn Linh kiện điện tử - Chương 7: Vi mạch tích hợp

Chương 7:Vi mạch tích hợpKhái niệm và phân loại vi mạch tích hợpCác phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp bán dẫnVi mạch tuyến tínhVi mạch số và vi mạch nhớKhái niệm và đặc điểmVi mạch tích hợp (IC: Intergrated Circuits) là sản phẩm của công nghệ vi điện tử, nó gồm rất nhiều các linh kiện tích cực, thụ động, và dây nối giữa chúng được chế tạo tích hợp trên một đế bán dẫn duy nhất theo một sơ đồ cho trước và thực hiện một vài chức năng nhất địnhVi mạch tích hợp có kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động tin cậy, giá thành hạ, tuổi thọ caoDo hạn chế về kích thước nên vi mạch có tốc độ hoạt động không cao, và yêu cầu nguồn nuôi rất ổn địnhPhân loạiPhân loại theo dạng tín hiệu xử lýIC tương tự (IC tuyến tính): μA741, 7805, 7905,IC số: Họ 74, IC 555, ROM, RAM,Phân loại theo công nghệ chế tạoIC bán dẫn (đơn khối): Các linh kiện thụ động và tích cực đều được chế tạo trên một đế bán dẫnIC màng mỏng: Các linh kiện thụ động được chế tạo trên đế thủy tinh cách điện, các linh kiện tích cực được gắn vào mạch như các phần tử rời rạcIC màng dày: Các linh kiện thụ động được chế tạo trên đế bán dẫn, còn các linh kiện tích cực được gắn vào mạch như các phần tử rời rạcIC lai (hybrid IC): Kết hợp các công nghệ khác nhauPhân loạiPhân loại theo loại transistor có trong ICIC lưỡng cực: Các transistor tích hợp trong mạch là transistor lưỡng cựcIC MOS: Các transistor tích hợp trong mạch là transistor trường loại MOS (MOS-FET)Phân loại theo số lượng phần tử được tích hợp trong ICIC SSI (Small Scale Intergration): Mức độ tich hợp nhỏ 1000 phần tửIC ULSI (Ultra Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp cực lớn >1 triệu phần tửIC GSI (Giant Scale Intergration): Mức độ tích hợp khổng lồ > 1 tỷ phần tửPhân loạiNăm196119661971198019851990-nayCông nghệSSIMSILSIVLSIULSIGSISố phần tử trên IC1000106109Các sản phẩmCổng logic, Flip-Flop, IC ổn áp, tạo dao động,Mạch đếm, mạch ghép, tách kênh; mạch KĐTTVi xử lý 4 bit, 8 bit, ROM, RAMVi xử lý 16bit, 32bitVi xử lý chuyên dụng, xử lý ảnh thời gian thựcVXL chuyên dụng 64 bitCác phương pháp chế tạo ICPhương pháp quang khắc (Photolithography) :Các phương pháp chế tạo ICPhương pháp quang khắcTrên đế Si tạo ra lớp màng mặt nạ (masking film) bằng SiO2Phủ lớp cản quang (photoresist)Đặt khuôn sáng (mask) lên lớp cản quang và chiếu sángBỏ khuôn sáng và định hình: tùy vào chất làm màng mặt nạ mà phần bị che sẽ bị ăn mòn hoặc không bị ăn mòn trong dung dịch rửaSau khi định hình, loại bỏ lớp cản quang ta thu được một đế bán dẫn có phủ lớp bảo vệ SiO2 có hình dạng mà ta mong muốnCác phương pháp chế tạo ICPhương pháp quang khắcCác phương pháp chế tạo ICPhương pháp Planar: Là phương pháp gia công các phần tử của vi mạch bán dẫn (đơn khối). Đây là phương pháp kết hợp hai quá trình quang khắc và khuếch tánPhương pháp Epitaxy-PlanarTương tự như phương pháp Planar, nhưng ở đó người ta sử dụng quá trình Epitaxy để nuôi cấy một lớp đơn tinh thể mỏng bên trong một lớp đơn tinh thể khácEpitaxy là phương pháp tạo ra một màng mỏng bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế tinh thể ở môi trường chân khôngCác phương pháp chế tạo ICMinh họa phương pháp Planar chế tạo một transistora, b,c: quá trình quang khắc tạo mặt nạd: quá trình khuếc tán tạo miền C của transistore: Các quá trình lặp lại để tạo thành một transistor hoàn chỉnhCác linh kiện trong vi mạchĐiện trở trong ICĐiện trở bán dẫn: Điện trở thường được chế tạo từ một khối bán dẫn (đơn khối) hoặc một khối bán dẫn khác khuếch tán vào bán dẫn đếĐiện trở màng mỏng: Thường sử dụng phương pháp bốc hơi và lắng đọng trong chân không, hoặc phương pháp Epitaxy để tạo ra lớp màng mỏngTụ điện trong ICTụ điện là lớp tiếp giáp p-n phân cực ngượcTụ điện MOS (Kim loại-SiO2-Bán dẫn)Tụ điện màng mỏngCác linh kiện trong vi mạchCuộn cảm trong ICTrong IC thường không chế tạo cuộn cảm, trong trường hợp bắt buộc phải có cuộn cảm thì người ta chế tạo cuộn cảm bằng công nghệ màng mỏng Transistor trong ICTransistor lưỡng cực thường sử dụng loại n-p-n, chế tạo bằng công nghệ Planar hoặc Epitaxy-PlanarTransistor trường gồm cả JFET và MOSFET chế tạo theo công nghệ Planar hoặc Epitaxy-PlanarĐiốt trong ICTrong IC Điốt thường được tạo thành từ transistor lưỡng cực bằng cách nối tắt 2 cực của nóVi mạch khuếch đại thuật toánVi mạch khuếch đại thuật toán là loại vi mạch thực hiện khuếch đại tín hiệu tương tự và thực hiện một số phép toán dựa vào mạch hồi tiếp bên ngoài vi mạch khuếch đại thuật toánMột bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các tiêu chuẩn sau:Hệ số khuếch đại điện áp rất lớn K→∞Trở kháng vào rất lớn Rv→∞Trở kháng ra rất nhỏ Rr→0Làm việc đồng đều trong toàn bộ dải tần Δf→∞Vi mạch khuếch đại thuật toánMột mạch khuếch đại thuật toán gồm có 1 đầu ra và hai đầu vào, cùng các chân cấp nguồn cho nó:Đầu vào đảo (N): tín hiệu vào và tín hiệu ra ngược phaĐầu vào không đảo (P): tín hiệu vào và tín hiệu ra cùng phaCấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán gồm:Tầng đầu là một mạch khuếch đại vi saiTầng trung gian là một hoặc vài mạch khuếch đạiTầng ra là mạch khuếch đại CC, hoặc mạch khuếch đại công suất theo kiểu đẩy kéoVi mạch khuếch đại thuật toánVi mạch khuếch đại thuật toán+Ec-EcUrUrmax ®¶oUrmax kh«ng ®¶oUvĐặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán chia thành hai vùng rõ rệt: Vùng khuếch đại: Là vùng tín hiệu vào và tín hiệu ra tăng tuyến tính với nhau Ur=K.Uv (K rất lớn) Vùng bão hòa: Là vùng Ur tăng nhanh và đạt giá trị bão hòa ≈ ±EcMột số ứng dụng của Op-AmMạch khuếch đại đảo và không đảoMột số ứng dụng của Op-AmMạch cộng đảo và không đảoVi mạch ổn ápVi mạch ổn áp là vi mạch có nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra khi điện áp đầu vào thay đổiVi mạch ổn áp họ 78xx: ổn áp điện áp +xx(V) (Ví dụ: 7805→ổn áp +5V; 1812→ổn áp +12V)Vi mạch ổn áp họ 79xx: ổn áp điện áp –xx(V) (Ví dụ: 7905→ổn áp→-5V; 7912→ổn áp -12V)Vi mạch ổn ápSơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp78xx79xxVi mạch sốVi mạch số là vi mạch gồm các mạch logic cơ bản để thực hiện các thuật toán và các hàm logic khác nhauKhi làm việc, vi mạch số chỉ có hai trạng thái: trạng thái gần với 0 gọi là mức logic thấp (mức 0), trạng thái gần với điện áp nguồn cấp gọi là mức logic cao (mức 1)Các tham số của vi mạch sốMức logic 0 và 1: Điện áp tương ứng với mức logic 0 và 1Nguồn nuôi: Đa số IC số dùng nguồn nuôi là +5VKhả năng ghép tải: Số nhánh có thể ghép ở đầu raSố đầu vào: Càng nhiều đầu vào thì tốc độ làm việc càng chậmTốc độ chuyển mạch: Là tốc độ chuyển trạng thái của vi mạchLoại cực nhanh: t100nsCông suất tiêu thụNhiệt độ làm việcPhân loại IC sốNgười ta phân loại IC số dựa vào loại linh kiện sử dụng trong vi mạchHọ transistor logic liên kết trực tiếp: TL (transistor logic)Họ điện trở-transistor logic: RTL (resistor transistor logic)Họ điốt-transistor logic: DTL (diode transistor logic)Họ transistor-transistor logic TTL (transistor transistor logic): Họ TTL thường sử dụng transistor có nhiều tiếp giáp B-E (nhiều cực E)Họ logic MOS và CMOS: Sử dụng transistor trườngTrong các loại IC số trên thì họ TTL và họ logic MOS, CMOS được sử dụng nhiều nhất vì có thời gian chuyển mạch nhanh, công suất tiêu thụ thấp và khả năng chịu tải lớnCác phần tử logic cơ bảnPhần tử phủ định (NOT)Các phần tử logic cơ bảnPhần tử và (AND)Các phần tử logic cơ bảnPhần tử hoặc (OR)Các phần tử logic cơ bảnPhần tử và phủ định (NAND)Các phần tử logic cơ bảnPhần tử hoặc phủ định (NOR)Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOSCác phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOSCác phần tử logic cơ bản dùng vi mạch CMOSVi mạch nhớVi mạch nhớ là linh kiện có khả năng lưu trữ dữ liệu số dưới dạng các bit 0, 1Đơn vị của dung lượng bộ nhớ là Byte (B), 1B=8bit, với mỗi bit là trạng thái 0 hoặc 1Quá trình ghi dữ liệu vào bộ nhớ là “ghi” (Write), và đọc dữ liệu từ bộ nhớ ra là “đọc” (Read)Bộ nhớ chỉ ghi một lần gọi là bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ có thể ghi, đọc nhiều lần gọi bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM)Dựa trên vật liệu chế tạo người ta chia bộ nhớ thành hai loạiBộ nhớ bán dẫn: Chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có tốc độ truy cập cao: ROM, RAM, USB, thẻ nhớ,Bộ nhớ từ: Chế tạo bằng vật liệu từ, có dung lượng lưu trữ cao: ổ đĩa cứng, băng từCác tham số của bộ nhớDung lượng:Thời gian truy cậpCông suất tiêu thụNguồn nuôi