CHƯƠNG 9 : VI MẠCH TÍCH HỢP IC : Integrated- Circuit Vi mạch là mạch điện gồm nhiều linh kiện Transistor, diode, điện trở … được tích hợp trên một một miếng tinh thể có kích thước rất nh
Trang 1CHƯƠNG 9 : VI MẠCH TÍCH HỢP (IC : Integrated- Circuit)
Vi mạch là mạch điện gồm nhiều linh kiện Transistor, diode, điện trở … được tích hợp trên một một miếng tinh thể có kích thước rất nhỏ, các linh kiện này liên kết với nhau thực hiện một số chức năng đã định và được bọc bên ngòai bằng vỏ plastic hoặc kim lọai, nên nó còn được gọi
là mạch điện tích hợp hay IC (Integrated- Circuit,)
Điều đặc biệt nhất đối với IC là kích thước một IC vi xử lý MC 6800 chứa 68.000 transistor và một số linh kiện khác tập trung trên một bề mặt 1/4inch x1/4 inch tức 40mm2
Ưu điểm của công nghệ chế tạo này là tạo ra các IC có độ tin cậy cao, kích thước nhỏ, chứa nhiều phần tử , giá thành hạ, tiêu thụ công suất ít
Có nhiều cách phân loại
1 Theo tính chất của dữ liệu được xử lý bởi IC :
Người ta chia làm 2 loại:
a Vi mạch tương tự (Analog IC), còn gọi là vi mạch tuyến tính (linear IC):
Dùng để xử lý các dữ liệu liên tục (analog) thường có ký hiệu bằng chữ A và thêm ký hiệu của hãng sản xuất
Ví dụ: - TA : IC Analog của hãng TOSHIBA
- AN : IC Analog của hãng NATIONAL
- HA: IC Analog của hãng HITACHI
Tín hiệu analog: là lọai tín hiệu điện trong một chu kỳ tồn tại ở vô số điểm điện thế khác
nhau, mà đặc trưng cho tín hiệu này là tín hiệu hình sin,,,
b Vi mạch số (Digital IC)
Dùng để xử lý các dữ liệu rời rạc, gián đoạn (không liên tục) hay còn gọi tín hiệu số
Tín hiệu số: là tín hiệu trong một chu kỳ chỉ tồn tại ở 2 mức điện thế thấp và cao :
- Mức thấp (L: Low) tương ứng với trạng thái “0” tức không có điện
Trang 2- Mức cao (H: High) tương ứng với trạng thái “1” tức có điện
Vi mạch số thường có 2 họ là TTL và CMOS:
- Họ TTL (Transistor-Transistor-Logic): là công nghệ chế tạo trong những thập niên
70-80 với công nghệ bên trong chủ yếu dùng BJT, nguồn cung cấp thường là 5V
- Họ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): Lấy MOSFET làm
phần tử cơ bản Nguồn cung cấp khỏang 3-15V CMOS có công suất tiêu thụ thấp hơn TTL hàng trăm lần Công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nên ngày càng phát triển mạnh
Thật ra với kỹ thuật chế tạo hiện nay, IC có thể thực hiện đầy đủ 2 chức năng a, b ở trên
2 Theo công nghệ chế tạo : Người ta phân loại vi mạch như sau :
• Vi mạch bán dẫn còn gọi là vi mạch đơn khối (monolithic IC) : các phần tử tích cực hay thụ động được chế tạo trên một tinh thể bán dẫn mà thường là Si (loại P hoặc N) vật liệu này dùng làm đế, trên đó tích hợp các phần tử khác nhau
• Vi mạch màng mỏng : đế làm bằng ceramic hoặc thủy tinh cách điện Tất cả các phần tử muốn tích hợp đều thực hiện theo phương pháp bốc hơi trong chân không để tạo sự lắng đọng vật chất trên đế Ưu điểm lớn nhất của loại IC màng mỏng là có sự cách ly tốt giữa các phần tử được tích hợp
• Vi mạch màng dày : phần tử R và C được hình thành ngay trên đế bán dẫn bằng phương pháp khác hình khuôn, còn transistor được thêm vào như một tinh thể riêng rẽ
• Vi mạch lai : việc tích hợp các phần tử được thực hiện bằng cả hai công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn và vi mạch màng mỏng Đế thường là ceramic và đặc biệt là các transistor công suất lớn cũng có thể được tích hợp
3 Theo loại transistor có mặt trong vi mạch chia thành :
• Vi mạch lưỡng cực ; transistor tích hợp là transistor lưỡng cực
• Vi mạch MOS ; transistor tích hợp là transistor MOS
Trang 3• Vi mạch SSI : số phần tử tích hợp < 12
• Vi mạch MSL : số phần tử tích hợp < 100
• Vi mạch LSI : số phần tử tích hợp < 1000
• Vi mạch VLSI : số phần tử tích hợp > 100
Vi mạch LSI và VLSI chủ yếu là loại vi mạch MOS
Vi mạch đơn khối được sản xuất nhiều nhất do giá rẻ, thời gian chuyển mạch nhỏ, số phần tử tích hợp khá cao
Do trình độ sản xuất cao, qui trình công nghệ ngày càng hoàn chỉnh, sử dụng các vật liệu rất tinh khiết, việc thiết kế mạch được tự động hoá và tiến hành trên máy tính, các phần tử của vi mạch được bố trí trong một kết cấu hoàn chỉnh với kích thước nhỏ và được đồng thời chế tạo theo một qui trình sản xuất thống nhất, v.v… nên độ tin cậy của các vi mạch cao hơn hẳn các mạch thông thường Như đã biết mỗi vi mạch là một tập hợp các phần tử hay các mạch cơ bản, và mức độ tích hợp có thể lên đến bậc 4 (tức 10.000 phần tử) Tuy nhiên độ tin cậy của vi mạch ít phụ thuộc vào số phần tử và độ phức tạp của mạch mà chủ yếu phụ thuộc vào trình độ thiết kế và qui trình công nghệ sản xuất Cường độ hỏng của vi mạch thường khoảng 10 -7 ÷
10 -8 /h, bằng độ tin cậy của các phần tử rời rạc tin cậy nhất như điện trở, tụ điện v.v…
Có 3 loại IC hiện đang được sử dụng: Đơn tinh thể (monolithic IC), lớp mỏng hay lớp
dày (thin or thick film IC), loại IC tạp lai (hybrid IC)
Sơ lược về công nghệ tích hợp:
1 Phần 1: Bước đầu của mọi chế tạo linh kiện bán d6ãn là tạo ra chất bán dẫn (Ge, Si,
GaAs) thuần khiết Chất liệu ban đầu được xử lý qua nhiều phản ứng hóa họctinh chế qua phương pháp vật lý(nung từng vùng, lọc chất dơ, phương pháp Czochralki tức cấy mầm và xoay tạo thỏi) Cuối cùng ta có những thỏi bán dẫn nguyên chấtdài từ 6 đến 36”, đường kính từ 1 đến 5”, cân ở cỡ 14Kg
Trang 42 Phần 2: Cắt lát (wafer’s cutting)Thỏi bán dẫn sau đó được cát thành lát (wafer)
mỏng, có thể mỏng đến 1/1000 của 1inch, cắt bằng dây tungten đường kính 0,001inch hợac dày 15µm tùy nhu cầu sản xuất
3 Phần 2: Xử lý lát móng để trở thành một trong ba loại mạch kết:
a Chế tạo IC đơn tinh thể (monolithic IC) :
- Chữ đon tinh thể (monolithic) đi từ tổ hợp”monos”tức theo từ Hylạp là “đơn” (một),
“lithos” là “đá”tức là cấu trúc trên một”lát móng” (wafer)
- Mỗi IC (gọi là “chip”) chiếm một bề mặt 50 x 50mm (1mm=25,4µm) thường kích
thước tương đối các thành phần của một IC như transistor chiếm một bề mặt 20µm x12µm, điện trở 30µm x6µm, diode 10µm x15µm
- Các thành phần của IC:
a.1 Điện trở : Thường điện trở rất mỏng nên gọi là điện trở lá
b
III VI MẠCH BÁN DẪN (VI MẠCH ĐƠN KHỐI MONOLITHIC IC) :
Vi mạch bán dẫn là một đơn tinh thể bán dẫn dùng làm vật liệu ban đầu, trong thể tích hoặc trên bề mặt tinh thể này, các phần tử riêng rẽ được tạo ra để thực hiện một chức năng xác định Các phần tử như diode, transistor, tụ, điện trở được tạo bằng kỹ thuật plana hoặc plana epitaxi chúng được cách điện với nhau bằng tiếp xúc PN phân cực nghịch hoặc bằng lớp cách điện SiO 2 Điện trở của tiếp xúc PN phân cực nghịch Si rất lớn, khoảng vài trăm MΩ, nên loại cách điện này tỏ ra đáng tin cậy đối với đa số vi mạch
Trong vi mạch bán dẫn đơn tinh thể, các phần tử tích cực và thụ động đều được thực hiện trên cơ sở cấu trúc transistor lưỡng cực hoặc transistor MOS vi mạch lưỡng cực và vi mạch MOS (kênh P, N hoặc cả hai)
Mỗi phần tử trong vi mạch chiếm một miền riêng rẽ trên tinh thể bán dẫn gọi là miền cục bộ và được cách điện với nhau Để nối các phần tử này lại người ta phủ trên bề mặt của tinh thể bán dẫn những dây dẫn kim loại dạng màng mỏng Toàn bộ tinh thể được đặt trong
Trang 5một vỏ kín và có hệ cực ra để nối với các linh kiện hoặc vi mạch khác Đơn tinh thể bán dẫn thường là loại Si
IV VI MẠCH MÀNG :
Việc chế tạo một vi mạch màng với đầy đủ các thành phần như trong một vi mạch bán dẫn chưa thực hiện được một cách hoàn chỉnh, vì tính năng của các phần tử tích cực còn nhiều nhược điểm Do đó trong vi mạch màng, người ta chỉ tạo ra các phần tử thụ động, còn các phần tử tích cực được gắn thêm vào
V VI MẠCH MÀNG EPITAXI :
Vi mạch tích hợp trên màng epitaxi có những ưu điểm của vi mạch bán dẫn và vi mạch màng Các vi mạch loại này có thể thực hiện được trên các màng đơn tinh thể bán dẫn được ngưng đọng trên các đế cách điện Các màng đơn tinh thể cho phép sử dụng các phương pháp của công nghệ plana để tạo ra các phần tử Hơn nữa kỹ thuật quang khắc có thể được dùng để khắc Si và bằng cách này một phần tử (như transistor) được cách điện hoàn toàn với một phần tử khác bằng điện trở của đế, trong khi đó, sự liên kết các phần tử được thực hiện bằng cách phủ kim loại và khắc axit có chọn lọc như trong vi mạch bán dẫn
VI ỨNG DỤNG :
Trong các thiệt bị dân dụng mà phần lớn là máy thu thanh, thu hình, ghi âmv.v… việc ứng dụng vi mạch tích hợp tuyến tính ngày càng nhiều tuy có chậm hơn so với việc ứng dụng vi mạch tích hợp số vào các thiết bị tính toán, điều khiển v.v… nguyên nhân là giá thành của vi mạch tích hợp tuyến tính đắt hơn vi mạch tích hợp số
Vi mạch tích hợp số cũng được dùng trong dân dụng nhưng ở dạng thiết bị chuyên dùng như máy tính, các thiết bị đo lường, xử lý tin, các thiết bị liên lạc… mà nổi bật là máy tính cá nhân ngày nay đã sử dụng hầu hết các vi mạch tích hợp số
1 Vi mạch tích hợp tuyến tính :
Ngõ ra của một vi mạch tuyến tính tỉ lệ với tín hiệu ở ngõ vào Vi mạch Analog thông dụng là Vi mạch khuếch đại thuật tóan, vi mạch khuếch đại công suất, mạch ổn áp…
a Vi mạch ổn áp (regulator IC)UI
Trang 6Chúng nhận ở ngõ vào một điện thế một chiều không ổn định (dợn sóng ) và tạo ra ở lối ra một điện thế ổn định cố định
Họ vi mạch ổn áp dương 78XX
Ví dụ :
7805 : điện thế ra cố định + 5V
7812 : điện thế ra cố định + 12V
7815 : điện thế ra cố định + 15V Tương tự với họ vi mạch ổn áp dương 78XX, ta có họ vi mạch ổn áp âm 79XX:
Ví dụ :
7905 : điện thế ra cố định - 5V
7912 : điện thế ra cố định - 12V
7915 : điện thế ra cố định - 15V Các vi mạch ổn áp điều chỉnh được ở điện thế ngõ ra thông thường là:
LM317 : điện thế ngõ ra điền chỉnh được từ 1,2 V đến 37 V LM3317T : điện thế ngõ ra điền chỉnh được từ -1,2 V đến -37 V
µA723C : điện thế ngõ ra điền chỉnh được từ 2 V đến 37 V TL431 : loại tener điều chỉnh từ 2,5 V đến 36 V
LM350T :điện thế ngõ ra điều chỉnh được từ 1,2 V đến 33V
b Vi mạch khuếch đại thuật toán (operation ampli : op – amp)
Hiện nay lượng op –amp sản xuất ra rất nhiều do nó được sử dụng trong nhiều lọai chức năng khác nhau Mục này xin giới thiệu một vài op –amp như : µA741, LM458, LF353, TLO84, Lm324 v.v… với các chức năng điển hình : khuếch đại, lọc , tạo sóng, tách sóng v.v… dùng trong các thiết bị dân dụng
c Vi mạch so sánh : (comparactor IC)
Thường gặp nhất là vi mạch : µA710, µA711 (2 x µA710), LM33 ngoài chức năng so sánh thông thường, vi mạch so sánh còn dùng làm mạch lái (driver) TTL, CMOS, mạch tạo sóng, điều khiển LED v.v…
Trang 7Thường gặp nhất là NE555, 556, 558, 7555 v.v… ngoài chức năng định thời chúng còn sử dụng làm mạch dao động, tạo xung, mạch một trạng thái bền (đơn ổn), mạch tạo sóng v.v…
e Vi mạch dao động kiểu V.C.O (voltage control oscillator IC)
Mạch dao động này rất thông dụng trong các máyhiện đại, có tần số và pha thay đổi theo điện thế điều khiển đưa vào
Thường gặp nhất là 9400, NE566
f Vi mạch khuếch đaiï âm tần (audi frequency ampli IC)
Có 3 dạng chính thường gặp :
• Dạng tiền khuếch đại (pre – ampli) : AN7310, BA328 v.v…
• Dạng khuếch đại công suất (power – ampli) : TB810, STK0050, HA1392
• Dạng tiền khuếch đại + công suất : LA4001, LA4002 v.v…
g Vi mạch điều khiển đèn LED (driver LED IC)
Thường dùng để chỉ thị biên độ điện áp bằng đèn led như : LM3914N, LM3915N v.v…
Ngoài các vi mạch kể trên, các vi mạch khác như biến đổi tương tự –số, biến đổi số – tương tự (ADC và DAC), các vi mạch V to F ( đổi điện thế thành tần số, một dạng như V.C.O), vi mạch làm đầu dò nhiệt độ, vi mạch tạo âm thanh phức hợp, vi mạch đường dây trễ (delay) v.v… cũng được kể là các vi mạch tích hợp tuyến tính
2 Vi mạch tích hợp số (Digital IC) :
Thường gặp nhất là họ vi mạch tích hợp TTL ( Transistor trinsistor logic), CMOS, MOS v.v… chúng là các vi mạch tích hợp thực hiện các chức năng hoàn chỉnh như : cổng logic, các hệ đếm (counter), ghi chuyển (shift registor ), giải mã (decoder), bộ nhớ (memory), hệ vi xử lý (đơn
vị xử lý trung tâm CPU), hệ tính toán, hệ giao diện v.v…
Vi mạch CMOS phổ biến hiện nay là họ CD40XX, CM40XX, của hãng RCA; MC14XXX của hãng Motorola; 74CXX, 74HCXX, 74HCTXX của nhiều hãng khác như
TI (Texas Instruments), Hitachi, Nec v.v…
Vi mạch TTL thông dụng là họ 74 / 54, thí dụ 74XX, 54XX, 74LSXX, 74LXX, 74HXX, v.v…
Trang 8Các bộ nhớ bán dẫn có thể là TTL, CMOS nhưng đa số là MOS hoặc CMOS với các chức năng như RAM (bộ nhớ đọc / viết), ROM (bộ nhớ chỉ đọc),
PROM (ROM thảo chương trình), UV – EPROM (bộ nhớ xoá bằng tia cực tím), EAROM, v.v…
Hệ tính toán (ALV) có thể là TTL, CMOS…