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

Chương 7: Vi mạch tích hợp • Khái niệm và phân loại vi mạch tích hợp • Các phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp bán dẫn SITY • Vi mạch tuyến tính • Vi mạch số và vi mạch nhớ NIVER ANG U NHATR Khái niệm và đặc điểm • Vi 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 SITY giữa chúng được chế tạo tích hợp trên một đế bán dẫn duy nhất theo một sơ đồ cho trước và NIVER thực hiện một vài chức năng nhất định • Vi mạch tích hợp có kích thước nhỏ, tiêu thụ ít ANG U năng lượng, hoạt động tin cậy, giá thành hạ, tuổi thọ cao • Do hạn chế về kích thước nên vi mạch có tốc độ NHATR hoạt động không cao, và yêu cầu nguồn nuôi rất ổn định Phân loại • Phân loại theo dạng tín hiệu xử lý – IC tương tự (IC tuyến tính): μA741, 7805, 7905, – IC số: Họ 74, IC 555, ROM, RAM, SITY • Phân loại theo công nghệ chế tạo – IC bán dẫn (đơn khối): Các linh kiện thụ động và tích NIVER cực đều được chế tạo trên một đế bán dẫn – IC màng mỏng: Các linh kiện thụ động được chế tạo ANG U trên đế thủy tinh cách điện, các linh kiện tích cực được gắn vào mạch như các phần tử rời rạc – IC màng dày: Các linh kiện thụ động được chế tạo NHATR trên đế bán dẫn, còn các linh kiện tích cực được gắn vào mạch như các phần tử rời rạc – IC lai (hybrid IC): Kết hợp các công nghệ khác nhau Phân loại • Phân loại theo loại transistor có trong IC – IC lưỡng cực: Các transistor tích hợp trong mạch là transistor lưỡng cực – IC MOS: Các transistor tích hợp trong mạch là transistor trường loại MOS (MOS-FET) •SITY Phân loại theo số lượng phần tử được tích hợp trong IC – IC SSI (Small Scale Intergration): Mức độ tich hợp nhỏ <12 phần tử NIVER – IC MSI (Medium Scale Intergration): Mức độ tích hợp trung bình 12-100 phần tử – IC LSI (Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp lớn 100-1000 ANG U phần tử – IC VLSI (Very Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp rất lớn >1000 phần tử NHATR – IC ULSI (Ultra Large Scale Intergration): Mức độ tích hợp cực lớn >1 triệu phần tử – IC GSI (Giant Scale Intergration): Mức độ tích hợp khổng lồ > 1 tỷ phần tử Phân loại Năm 1961 1966 1971 1980 1985 1990- nay Công SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI SITY nghệ Số phần 1000 106 109 NIVER tử trên IC Các sản Cổng Mạch đếm, Vi xử lý 4 Vi xử lý Vi xử lý VXL ANG U phẩm logic, mạch ghép, bit, 8 bit, 16bit, chuyên chuyên Flip- tách kênh; ROM, R 32bit dụng, dụng Flop, IC mạch KĐTT AM xử lý 64 bit NHATR ổn áp, ảnh thời tạo dao gian động, thực Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc (Photolithography) : SITY NIVER ANG U NHATR Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc – Trên đế Si tạo ra lớp màng mặt nạ (masking film) bằng SiO2 SITY – Phủ lớp cản quang (photoresist) – Đặt khuôn sáng (mask) lên lớp cản quang và chiếu NIVER sáng – Bỏ khuôn sáng và định hình: tùy vào chất làm màng ANG U mặt nạ mà phần bị che sẽ bị ăn mòn hoặc không bị ăn mòn trong dung dịch rửa NHATR – Sau 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 muốn Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp quang khắc SITY NIVER ANG U NHATR Các phương pháp chế tạo IC • Phương pháp Planar: – Là phương pháp gia công các phần tử của vi mạch bán dẫn (đơn khối). Đây là phương pháp kết hợp hai SITY quá trình quang khắc và khuếch tán • Phương pháp Epitaxy-Planar NIVER – Tương tự như phương pháp Planar, nhưng ở đó người ta sử dụng quá trình Epitaxy để nuôi cấy một ANG U lớp đơn tinh thể mỏng bên trong một lớp đơn tinh thể khác NHATR – Epitaxy 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 không Các phương pháp chế tạo IC • Minh họa phương pháp Planar chế tạo một transistor – a, b,c: quá trình quang khắc tạo mặt nạ – d: quá trình khuếc tán tạo miền C của transistor – e: Các quá trình lặp lại để tạo thành một transistor hoàn chỉnh SITY NIVER ANG U NHATR Các linh kiện trong vi mạch • Điện trở trong IC – Điện trở bán dẫn: Điện trở thường được chế tạo từ một khối bán dẫn (đơn khối) hoặc một khối bán dẫn SITY khác khuếch tán vào bán dẫn đế – Điện trở màng mỏng: Thường sử dụng phương pháp NIVER bốc hơi và lắng đọng trong chân không, hoặc phương pháp Epitaxy để tạo ra lớp màng mỏng ANG U • Tụ điện trong IC – Tụ điện là lớp tiếp giáp p-n phân cực ngược NHATR – Tụ điện MOS (Kim loại-SiO2-Bán dẫn) – Tụ điện màng mỏng Các linh kiện trong vi mạch • Cuộn cảm trong IC – Trong IC thường không chế tạo cuộn cảm, trong trường hợp bắt buộc phải có cuộn cảm thì người ta SITY chế tạo cuộn cảm bằng công nghệ màng mỏng • Transistor trong IC NIVER – Transistor lưỡng cực thường sử dụng loại n-p-n, chế tạo bằng công nghệ Planar hoặc Epitaxy-Planar ANG U – Transistor trường gồm cả JFET và MOSFET chế tạo theo công nghệ Planar hoặc Epitaxy-Planar NHATR • Điốt trong IC – Trong IC Điốt thường được tạo thành từ transistor lưỡng cực bằng cách nối tắt 2 cực của nó Vi mạch khuếch đại thuật toán • Vi 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 toán • Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các SITY tiêu chuẩn sau: – Hệ số khuếch đại điện áp rất lớn K→∞ – Trở kháng vào rất lớn Rv→∞ NIVER – Trở kháng ra rất nhỏ Rr→0 – Làm việc đồng đều trong toàn bộ dải tần Δf→∞ ANG U NHATR Vi mạch khuếch đại thuật toán • Một 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 pha SITY – Đầu vào không đảo (P): tín hiệu vào và tín hiệu ra cùng pha NIVER • Cấu trúc cơ bản của một bộ khuếch đại thuật toán gồm: ANG U – Tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai – Tầng trung gian là một hoặc vài mạch khuếch đại NHATR – Tầng ra là mạch khuếch đại CC, hoặc mạch khuếch đại công suất theo kiểu đẩy kéo NHATRANG UNIVERSITY Vi mạch khuếch đại thuật toán thuật đại khuếch Vi mạch Vi mạch khuếch đại thuật toán  Ur +Ec Urmax ®¶o Urmax kh«ng SITY ®¶o Uv NIVER -Ec ANG U Đặc tuyến truyền đạt của bộ khuếch đại thuật toán chia thành hai vùng rõ rệt: NHATR • 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 ≈ ±Ec Một số ứng dụng của Op-Am • Mạch khuếch đại đảo và không đảo SITY Rht K D   NIVER R1 ANG U NHATR Rht K KD 1 R1 Một số ứng dụng của Op-Am • Mạch cộng đảo và không đảo 1 R SITY U  (1 ht ) U r n R  Vi NIVER ANG U NHATR R U   ht U r R  Vi Vi mạch ổn áp • Vi mạch ổn áp là vi mạch có nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra khi điện áp đầu vào thay đổi – Vi mạch ổn áp họ 78xx: ổn áp điện áp +xx(V) (Ví dụ: SITY 7805→ổn áp +5V; 1812→ổn áp +12V) – Vi mạch ổn áp họ 79xx: ổn áp điện áp –xx(V) (Ví dụ: NIVER 7905→ổn áp→-5V; 7912→ổn áp -12V) ANG U NHATR Vi mạch ổn áp • Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp SITY 78xx NIVER ANG U NHATR 79xx Vi mạch số • Vi mạch số là vi mạch gồm các mạch logic cơ bản để thực hiện các thuật toán và các hàm logic khác nhau • Khi làm việc, vi mạch số chỉ có hai trạng thái: SITY trạng thái gần với 0 gọi là mức logic thấp (mức 0), trạng thái gần với điện áp nguồn cấp gọi là NIVER mức logic cao (mức 1) ANG U NHATR Các tham số của vi mạch số • Mức logic 0 và 1: Điện áp tương ứng với mức logic 0 và 1 • Nguồn nuôi: Đa số IC số dùng nguồn nuôi là +5V • Khả năng ghép tải: Số nhánh có thể ghép ở đầu ra SITY • Số đầu vào: Càng nhiều đầu vào thì tốc độ làm việc càng chậm NIVER • Tốc độ chuyển mạch: Là tốc độ chuyển trạng thái của vi mạch – Loại cực nhanh: t<5ns ANG U – Loại nhanh: t=5-10ns – Loại trung bình t=10-100ns – Loại chậm t>100ns NHATR • Công suất tiêu thụ • Nhiệt độ làm việc Phân loại IC số • Người ta phân loại IC số dựa vào loại linh kiện sử dụng trong vi mạch – Họ transistor logic liên kết trực tiếp: TL (transistor logic) SITY – Họ điện trở-transistor logic: RTL (resistor transistor logic) NIVER – 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 ANG U giáp B-E (nhiều cực E) – Họ logic MOS và CMOS: Sử dụng transistor trường • Trong các loại IC số trên thì họ TTL và họ logic NHATR MOS, CMOS được sử dụng nhiều nhất vì có thời gian chuyển mạch nhanh, công suất tiêu thụ thấp và khả năng chịu tải lớn Các phần tử logic cơ bản • Phần tử phủ định (NOT) SITY NIVER ANG U NHATR Các phần tử logic cơ bản • Phần tử và (AND) SITY NIVER ANG U NHATR Các phần tử logic cơ bản • Phần tử hoặc (OR) SITY NIVER ANG U NHATR Các phần tử logic cơ bản • Phần tử và phủ định (NAND) SITY NIVER ANG U NHATR Các phần tử logic cơ bản • Phần tử hoặc phủ định (NOR) SITY NIVER ANG U NHATR NHATRANG UNIVERSITY Các Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch mạch CMOS NHATRANG UNIVERSITY Các Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch mạch CMOS NHATRANG UNIVERSITY Các Các phần tử logic cơ bản dùng vi mạch mạch CMOS Vi mạch nhớ • Vi mạch nhớ là linh kiện có khả năng lưu trữ dữ liệu số dưới dạng các bit 0, 1 • Đơn vị của dung lượng bộ nhớ là Byte (B), 1B=8bit, với mỗi bit là trạng thái 0 hoặc 1 • Quá trình ghi dữ liệu vào bộ nhớ là “ghi” (Write), và đọc dữ liệu SITY từ bộ nhớ ra là “đọc” (Read) • Bộ nhớ chỉ ghi một lần gọi là bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ có NIVER 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 loại – Bộ nhớ bán dẫn: Chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có tốc độ truy cập ANG U 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 từ • Các tham số của bộ nhớ NHATR – Dung lượng: – Thời gian truy cập – Công suất tiêu thụ – Nguồn nuôi