TIỂU LUẬN Đề tài Tìm hiểu về logic gate NAND và công nghệ CMOS

Mục lục Phần mở đầu ............................................. 3 1. Lý do chọn đề tài ...................................................... 3 2. Mục đích nghiên cứu .................................................. 3 3. Phương pháp nghiên cứu ............................................. 3 Phần nội dung ............................................ 4 A. Cổng logic NAND ........................................... 4 I. Giới thiệu chung về cổng logic ...................................... 4 II. Cổng logic NAND .................................................... 4 B. Công nghệ CMOS .......................................... 6 I. Giới thiệu về CMOS ................................................... 6 II. Cấu tạo chi tiết ........................................................................... 6 III. Các cổng logic .......................................................................... 9 IV. Quy trình chế tạo .................................................................... 10 V. Ưu điểm và ứng dụng .............................................................. 15 Phần tổng kết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TIỂU LUẬN

Đề tài: Tìm hiểu về logic gate NAND và công

nghệ CMOS

Giảng viên hướng dẫn: Đào Đức Thịnh

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chí Thành – MSSV :20212971 Lớp : 127684

Hà Nội, 22-2-2022 Năm học2021-2022

Mục lục

Phần mở đầu ……… 3

1 Lý do chọn đề tài ……… 3

2 Mục đích nghiên cứu ……… 3

3 Phương pháp nghiên cứu ……… 3

Phần nội dung ……… 4

A Cổng logic NAND ……… 4

I Giới thiệu chung về cổng logic ……… 4

II Cổng logic NAND ……… 4

B Công nghệ CMOS ……… 6

I Giới thiệu về CMOS ……… 6

II Cấu tạo chi tiết 6

III Các cổng logic 9

IV Quy trình chế tạo 10

V Ưu điểm và ứng dụng 15

Phần tổng kết 16

Phần mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Mỗi mảng kiến thức đều có tầm quan trọng và ứng dụng nhất định, mỗi người khi chọn cho mình một đề tài nghiên cứu cũng đều xuất phát từ những lý

do nào đó Do đó khi chọn cho mình đề tài này, tôi cũng xuất phát từ hai lý do sau:

Thứ nhất, CMOS là một công nghệ rất quan trọng được sử dụng trong lĩnh vực chế tạo các linh kiện dùng trong lĩnh vực công nghệ:

Thư hai, công nghệ sản xuất IC còn rất mới mẻ ở Việt Nam và với cơ sở vật chất hiện nay, rất khó để xây dựng một ngành chế tạo và sản xuất IC Tuy nhiên, đây là ngành công nghệ cơ bản để phát triển ngành công nghiệp điện tử

và bán dẫn Xu thế của thị trường thế giới hiện nay là tiến tới các sản phẩm điện tử công nghệ cao có kích thước gọn nhẹ nhưng nhiều chức năng Vì vậy thị trường về chip IC tích hợp sẽ tiếp tục tăng trưởng rất mạnh trong thời gian tới.

Vì thế, tôi quan tâm đến mảng kiến thức mới này dưới góc độ tìm hiểu.

2 Mục đích nghiên cứu

Tiểu luận này tập trung tìm hiểu một số vấn đề về: cổng logic NAND, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, quy trình chế tạo và ứng dụng của công nghệ CMOS.

3 Phương pháp nghiên cứu

Tiểu luận chủ yếu sử dụng phương pháp phân tích – tổng hợp qua những nguồn thông tin mạng.

Phần nội dung

A Cổng logic NAND

1 Giới thiệu chung về cổng logic

- Trong điện tử học, cổng logic (logic gate) là mạch điện thực hiện một hàm Boole lý tưởng hóa Có nghĩa là, nó thực hiện một phép toán logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào, và tạo

ra một kết quả logic ra duy nhất, với thời gian thực hiện lý tưởng hóa là không có trễ

- Gọi A và B là biến số nhị phân có mức logic la 0 và 1, và Y là một biến số tùy thuộc vào A,

B Vậy Y = f(A, B)

- Vì biến số A, B chỉ có thể là 0 hoặc 1 nên A và B chỉ có thể tạo ra 4 tổ hợp khác nhau là

- Bảng liệt kê tất cả các tổ hợp khả dĩ của các biến số và hàm số tương ứng gọi là bảng chân lý Khi có ba hay nhiều biến số (A, B, C), số lượng hàm số khả dĩ tăng nhanh

- Mạch thực hiện quan hệ logic

Y = f(A, B) gọi là mạch logic, trong đó các biến số A, B là các đầu vào và hàm số Y là các đầu ra Một mạch logic diễn tả quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra, nghĩa là thực hiện được một hàm logic Do đó có bao nhiêu hàm logic hàm số logic thì có bấy nhiêu mạch logic

- Lưu ý : khi biểu diễn mối quan hệ toán học ta gọi là hàm số logic còn khi biểu diễn mối quan

hệ về mạch tín hiệu ta gọi là cổng logic.

- Cổng logic là khối xây dựng cơ bản của bất kỳ hệ thống kỹ thuật số nào Nó là một mạch điện tử có một hoặc nhiều ngõ vào và chỉ có một ngõ ra Mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra dựa trên một logic nhất định Dựa trên điều này, các cổng logic được đặt tên là cổng AND, cổng OR, cổng NOT, v.v

- Cổng logic có thể được chế tạo bằng các công nghệ khác nhau (lưỡng cực, MOS), có thể được tổ hợp bằng các linh kiện rời nhưng thường được chế tạo bởi các công nghệ tích hợp IC (Intergrated circuit) Cổng logic được sử dụng trong vi xử lý, vi điều khiển, các ứng dụng hệ thống nhúng và trong các mạch điện và điện tử

2 Cổng logic NAND

a.Tổng quan

- Cổng NAND là kết hợp của cổng AND và cổng NOT Ngõ ra của cổng NAND là đảo với

ngõ ra cổng AND

Mạch A

B

Y

- Trong điện tử kỹ thuật số, cổng NAND ( NOT-AND ) là cổng logic tạo ra đầu ra chỉ sai nếu tất cả các đầu vào của nó là đúng; do đó đầu ra của nó là phần bù cho cổng AND.

- Ký hiệu:

- Bảng giá trị chân lý:

- Biểu thức của A NAND B là : Q=

b Cấu tạo

- Cấu tạo của cổng logic NAND bao gồm 2 đầu vào A và B, một đầu ra là tỷ lệ nghịch của

tích A, B Không giống với các cổng logic khác, cổng logic NAND có tới 3 Diode, 2 điện trở và 1 transitor

cấu tạo của cổng logic NAND

c Nguyên lý hoạt động

- Trường hợp 1: Diode 1 và Diode 2 đều có điện áp ở mức 1 thì tương ứng với 2 Diode sẽ

phân cực nghịch còn một Diode nữa sẽ có chức năng dẫn dòng từ nguồn vào Baze Từ đó làm cho BJT phân cực thuận Cho nên kết quả tại đầu ra sẽ không có điện áp (0V)

- Trường hợp 2: Cả Diode 1 và 2 đều bằng 0 Khi đó, cả hai Diode này đều không phân cực.

Suy ra không có dòng điện qua Diode 3 và điện áp đầu ra ở mức 1

- Trường hợp 3: Diode 1 bằng 5V và Diode 2 bằng 0V Khi đó, chỉ có Diode 1 là phân cực

nhưng vẫn không có dòng điện qua Diode 3 và kết quả là điện áp đầu ra ở mức 1

- Trường hợp 4: Ngược lại với trường hợp trên, Diode 1 bằng 0V và Diode 2 bằng 5V, cũng

chỉ có Diode 2 là phân cực còn Diode 1 thì không Do đó, cũng không có dòng điện qua Diode 3 và đương nhiện điện áp đầu ra ở mức 1

 Tóm lại, chỉ trong trường hợp cả hai Diode đều ở mức 1 thì điện áp cho ra mới bằng 0 còn trong tất cả các trường hợp còn lại đều cho cùng một kết quả điện áp đầu ra ở mức 1

B Công nghệ CMOS

I Giới thiệu về CMOS

- CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" trong tiếng Anh, là

thuật ngữ chỉ một loại công nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp.Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các mạch lôgíc số khác

- Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như cảm biến hình ảnh, chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp cao trong lĩnh vực thông tin

- Trong tên gọi của vi mạch này, thuật ngữ tiếng Anh "complementary" ("bù"), ám chỉ việc thiết kế các hàm lôgíc trong các vi mạch CMOS sử dụng cả hai

loạitransistor PMOS và NMOS và tại mỗi thời điểm chỉ có một loại transistor nằm ở trạng thái đóng (ON)

II Cấu tạo chi tiết

CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp cả PMOS và NMOS trong cùng 1 mạch nhờ đó tận dụng được các thế mạnh của cả 2 loại, nói chung là nhanh hơn đồng thời mất mát năng lượng còn thấp hơn khi dùng rời từng loại một Cấu tạo cơ bản nhất của CMOS cũng là một cổng NOT gồm một transistor NMOS và một transistor PMOS

1 Transistor NMOS

- Có bốn cực: cổng (gate), nguồn (source), máng (drain), nền (body)

- Cực cổng – lớp oxide – cực nền tương đương với mô ̣t transistor

 Cực cổng và cực nền là hai mă ̣t dẫn

 SiO2 (oxide) là lớp cách điê ̣n tốt

 Do đó ta gọi là tụ bán dẫn – oxide – kim loại (metal – oxide – semiconductor (MOS) capacitor)

 Cực cổng có thể chế tạo bằng kim loại hoặc chế tạo bằng Polysilicon

ằng kim loại hoặc chế tạo bằng Polysilicon

2 Transistor PMOS

- Cấu trúc gồm nền (Substrate) Silic loại n, hai vùng khuếch tán loại (p+) gọi là nguồn

(Source) và máng (Drain) Giữa nguồn và máng là một vùng hẹp nền n gọi là kênh, được phủ một lớp cách điện (SiO2) gọi là cổng oxit.

3 Nguyên lý hoạt động

Cực nền được nối với ground

- Khi cực cổng ở mức điê ̣n áp thấp:

 Cực nền loại P cũng ở mức điê ̣n áp thấp

 Chưa hình thành kênh dẫn

 Không có dòng qua transistor: OFF

- Khi cực cổng ở mức điện áp cao

 Tụ MOS được nạp điê ̣n dương ở cực cổng

 Ở cực nền mang điê ̣n tích âm

 Làm cho kênh dẫn ở phía dưới cực cổng thành loại n

 Dòng điê ̣n chạy trong bán dẫn loại n từ nguồn đến máng, transistor ON

 Cực nền nối với điê ̣n áp mức cao (V DD )

 Cực cổng ở mức thấp: transistor ON

 Cực cổng ở mức cao: transistor OFF

 Dấu tròn trong ký hiê ̣u biểu thị tính chất đảo ngược

III Các cổng logic

1 Cổng đảo

2 Cổng NAND

A Y

1 0

0 1

3 Cổng NOR

IV Quy trình chế tạo

Bắt đầu với một miếng bán dẫn thô Chế tạo cổng đảo từ phần đáy lên

1 Tạo lớp bán dẫn giàu n

 Phủ lên miếng bán dẫn mô ̣t lớp SiO2 (oxide)

 Bỏ đi lớp oxide ở nơi cần tạo bán dẫn giàu n

 Đưa trực tiếp hoă ̣c khuếch tán chất kích tạp loại n vào lớp bán dẫn lô ̣ ra

 Phủ SiO2

2 Tạo lớp SiO2 trên bề mă ̣t miếng bán dẫn Si

- 900 – 1200°C với H2O hoă ̣c O2 trong lò oxy hoá

3 Kéo một lớp quang trở

 Quang trở là mô ̣t polymer nhạy sáng

 Mềm đi khi phơi ra trước ánh sáng

4 In khắc

 Mở lớp quang trở ở vị trí của mă ̣t nạ n-well

 Cắt bỏ lớp quang trở ở vị trí này

 Khắc oxide bằng hydrofluoric acid (HF)

 Chỉ khắc lớp oxide khi lớp quang trở đã lô ̣ ra

5 Cắt bỏ lớp quang trở còn lại

 Dùng hỗn hợp acid gọi là phương pháp khắc piranah

Bước này cần thiết để lớp quang trở không bị chảy trong bước tiếp theo

6 n-well tạo bởi sự khuếch tán hoặc tiêm ion

 Khếch tán

 Đă ̣t miếng bán dẫn trong lò gas arsen

 Nung đến khi các nguyên tử As khuếch tán vào Si

 Tiêm ion

 Thổi vào bán dẫn các chùm ion As

 Các ion bị chă ̣n bởi SiO2, chỉ đi vào những chỗ Si bị lô ̣ ra

7 Cắt bỏ lớp oxide còn lại dùng HF

 Trở lại miếng bán dẫn gốc với mô ̣t lớp n-well

 Các bước tiếp theo cũng gồm mô ̣t chuỗi các bước tương tự như các bước trên

8 Silicon đa tinh thể (Polysilicon)

 Trám mô ̣t lớp rất mỏng gate oxide (< 20 Å (6-7 lớp nguyên tử))

Quá trình trám bằng hơi hoá học (Chemical Vapor Deposition - CVD) trên lớp silicon

- Đă ̣t miếng bán dẫn trong lò gas Silane (SiH4)

- Hình thành nhiều tinh thể nhỏ gọi là polysilicon

- Được kích tạp mạnh để tạo vâ ̣t dẫn tốt

9 Tạo mẫu polysilicon

 Sử dụng quy trình in khắc như trên để tạo các mẫu polysilicon như hình ve

Page | 12

10 Quy trình self-aligned

 Dùng oxide và phương pháp mă ̣t nạ để lô ̣ ra các vùng chất kích tạp n+ cần được khuếch tán hay tiêm vào

 N-diffusion (vùng khuếch tán N) tạo thành các cực nguồn, máng của transistor nMOS và tiếp xúc n-well

 N-diffusion

 Khắc oxide để tạo các vung n+

 Thực hiê ̣n quy trình self-aligned trong đó cổng sẽ ngăn chă ̣n sự khuếch tán

 Polysilicon tốt hơn kim loại trong quá trình self-aligned vì nó không bị chảy trong các xư

lý tiếp theo

 Trước đây các chất kích tạp được khuếch tán vào Si

 Ngày nay thường dùng phương pháp tiêm ion

 Tuy nhiên các vùng này vẫn gọi là vùng khuếch tán

11 Cắt bỏ lớp oxide

Page | 13

 Các bước tương tự để tạo các vùng khuếch tán p+ cho nguồn và máng của pMOS

và tiếp xúc nền

12 Nối các linh kiện với nhau

 Phủ lên chip mô ̣t trường oxide dày

 Khắc oxide tại các chỗ cần tạo tiếp xúc

13 Bọc kim loại

 Thổi nhôm lên toàn bô ̣ miếng bán dẫn

 Tạo hình như hình ve để bỏ phần kim loại thừa, chỉ để lại các đoạn nối cần thiết

Page | 14

V Ưu điểm và ứng dụng

1 Ưu điểm

- Đầu tiên và được nói đến nhiều nhất là tiêu thụ điện năng – CMOS tiêu thụ ít điện năng hơn TTL

- Nhờ các yêu cầu dòng nhỏ hơn của chúng, logic CMOS rất tốt để thu nhỏ, với hàng triệu bóng bán dẫn có thể được đóng gói trong một khu vực nhỏ mà yêu cầu dòng không cao.

- Họ logic TTL sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực để thực hiện các chức năng logic và CMOS sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường CMOS thường tiêu thụ ít điện năng hơn nhiều, mặc dù nhạy hơn TTL CMOS và TTL không thực sự có thể hoán đổi cho nhau, và với sự sẵn có của chip CMOS công suất thấp, việc sử dụng TTL trong các thiết

kế hiện đại là rất hiếm.

 Khi ưu điểm này ngày càng thể hiện và trở nên quan trọng hơn, quy trình CMOS

và các quy trình biến thể của nó đã trở thành công nghệ chủ đạo, chính vì thế cho đến năm 2006, hầu hết các sản xuất vi mạch tích hợp đều dùng quy trình CMOS.

2 Ứng dụng

- Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các cổng logic khác Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp cao trong lĩnh vực thông tin

- Công nghệ CMOS cũng được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong cảm biến trong máy ảnh, máy quay phim, điện thoại, camera kỹ thuật số, PDA…)

Page | 15

Phần tổng kết

CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" trong tiếng Anh, là thuật ngữ chỉ một loại công nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các mạch lôgíc số khác.

Có thể khẳng định, vi mạch đang làm thay đổi cuộc sống xung quanh Bạn có thể hình dung, vài năm trước đây, chiếc điện thoại Nokia rất to và cồng kềnh, nhưng ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vi mạch, người ta đã làm cho nó ngày càng nhỏ hơn và mang lại nhiều ứng dụng mạnh me hơn

Theo các chuyên gia, trong quá trình phát triển KH&CN toàn cầu, công nghệ bán dẫn ngày càng chứng minh vai trò quan trọng trong việc góp phần tạo nên những bước tiến vượt bậc, những tiến bộ của công nghệ bán dẫn đã giúp tối ưu hóa hệ thống, ngày càng thu nhỏ kích thước thiết bị, tiết kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường, đem lại cuộc sống an toàn, chất lượng.

Trên cơ sở phân tích nguyên lý chế tạo siêu vi mạch bán dẫn của các hãng công nghệ hàng đầu trên thế giới như Intel (Mỹ), Samsung (Hàn Quốc), TSMC (Đài Loan)…Việt Nam đang đề ra một số giải pháp tiếp cận, ứng dụng được các kết quả nghiên cứu này cho đời sống dân sinh, đóng góp vào sự nghiệp bảo vệ an ninh xã hội và toàn vẹn lãnh thổ của Tổ quốc.

Page | 16

Nguồn tham khảo :

- CMOS – Wikipedia tiếng Việt : https://vi.wikipedia.org/wiki/CMOS

- Tiểu luận môn vi điện tử - đề tài công nghệ CMOS

- Kĩ thuật chế tạo vi mạch ( Trường đại học Công nghệ thông tin – khoa kĩ thuật máy tính )

Page | 17