Giáo trình môn Cấu kiện điện từ

Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính,

so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch

điện tử để thực hiện một chức năng kỹ thuật nào đó của một bộ phận trong một thiết bị

điện tử chuyên dụng cũng như thiết bị điện tử dân dụng.

Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch

điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện

điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây.đến các linh kiện

không thể thiếu được như điốt, transistor.và các linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp.

Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học

để thực hiện chức năng của thiết bị thông thường như máy radio cassettes, tivi, máy tính,

các thiết bị điện tử y tế. đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các

trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v.Nói chung cấu kiện điện tử là

loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa

học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và

nắm chắc các đặc điểm của chúng. Bài giảng "Cấu kiện điện" được biên soạn để làm tài

liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn

thông, đồng thời bài giảng cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh

viên của các chuyên ngành kỹ thuật khác.

Bài giảng được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" của

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ban hành tháng 6/2009. Nội dung của bài

giảng được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về

vật liệu và các cấu kiện điện tử đang sử dụng trong ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, và

CNTT

Bài giảng "Cấu kiện điện tử" gồm 9 chương.

+ Chương 1: Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử.

+ Chương 2: Vật liệu điện tử

+ Chương 3 : Cấu kiện thụ động

+ Chương 4: Điốt bán dẫn

+ Chương 5: Transistor lưỡng cực – BJT

+ Chương 6: Transistor hiệu ứng trường FET

+ Chương 7: Thyristor

+ Chương 8: Cấu kiện quang điện tử

+ Chương 9: Giới thiệu công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn

Trong đó từ chương 1 đến chương 6 và chương 9 do giảng viên Đỗ Mạnh Hà biên

soạn, chương 8 do giảng viên Trần Thị Thúy Hà biên soạn, chương 7 và phần bài tập các

chương do giảng viên Trần Thục Linh biên soạn, giảng viên Phạm Văn Sự và giảng viên

Nguyễn Văn Thuận phản biện.

Trong tập bài giảng này các tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên

soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, do thời gian biên soạn ngắn,tập bài

giảng có thể còn những thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý

của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, sinh viên, cũng như các bạn đọc quan

tâm để bổ sung và hoàn chỉnh tập bài giảng "Cấu kiện điện tử" được tốt hơn.

pdf 447 trang Bích Ngọc 04/01/2024 240
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Cấu kiện điện từ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Giáo trình môn Cấu kiện điện từ

Giáo trình môn Cấu kiện điện từ
3 
LỜI NÓI ĐẦU 
Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính, 
so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch 
điện tử để thực hiện một chức năng kỹ thuật nào đó của một bộ phận trong một thiết bị 
điện tử chuyên dụng cũng như thiết bị điện tử dân dụng. 
Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch 
điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện 
điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây...đến các linh kiện 
không thể thiếu được như điốt, transistor...và các linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp. 
Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học 
để thực hiện chức năng của thiết bị thông thường như máy radio cassettes, tivi, máy tính, 
các thiết bị điện tử y tế... đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các 
trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v...Nói chung cấu kiện điện tử là 
loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa 
học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và 
nắm chắc các đặc điểm của chúng. Bài giảng "Cấu kiện điện" được biên soạn để làm tài 
liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn 
thông, đồng thời bài giảng cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh 
viên của các chuyên ngành kỹ thuật khác. 
Bài giảng được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" của 
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ban hành tháng 6/2009. Nội dung của bài 
giảng được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về 
vật liệu và các cấu kiện điện tử đang sử dụng trong ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, và 
CNTT 
Bài giảng "Cấu kiện điện tử" gồm 9 chương. 
+ Chương 1: Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử. 
+ Chương 2: Vật liệu điện tử 
+ Chương 3 : Cấu kiện thụ động 
+ Chương 4: Điốt bán dẫn 
+ Chương 5: Transistor lưỡng cực – BJT 
4 
+ Chương 6: Transistor hiệu ứng trường FET 
+ Chương 7: Thyristor 
+ Chương 8: Cấu kiện quang điện tử 
+ Chương 9: Giới thiệu công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn 
Trong đó từ chương 1 đến chương 6 và chương 9 do giảng viên Đỗ Mạnh Hà biên 
soạn, chương 8 do giảng viên Trần Thị Thúy Hà biên soạn, chương 7 và phần bài tập các 
chương do giảng viên Trần Thục Linh biên soạn, giảng viên Phạm Văn Sự và giảng viên 
Nguyễn Văn Thuận phản biện. 
Trong tập bài giảng này các tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên 
soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, do thời gian biên soạn ngắn,tập bài 
giảng có thể còn những thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý 
của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, sinh viên, cũng như các bạn đọc quan 
tâm để bổ sung và hoàn chỉnh tập bài giảng "Cấu kiện điện tử" được tốt hơn. 
Các ý kiến đóng góp xin gửi đến Bộ môn Kỹ thuật điện tử - Khoa kỹ thuật điện tử 1, 
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà 
Nội. 
Xin chân thành cảm ơn! 
Nhóm tác giả 
Mục lục 
5 
MỤC LỤC 
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................3 
MỤC LỤC..........................................................................................................................5 
CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................12 
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN TỬ..................................12 
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG ...............................................................................................12 
1.1.1. Vai trò của khái niệm kỹ thuật trừu tượng.......................................................12 
1.1.2. Tín hiệu ............................................................................................................13 
1.1.3. Khái niệm cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử....................................................17 
1.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN......................................20 
1.2.1. Các phần tử tuyến tính R, L, C ........................................................................21 
1.2.2. Mô hình nguồn điện .........................................................................................23 
1.2.3. Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện...............24 
1.3. PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN..........................................24 
1.3.1. Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) .......................24 
1.3.2. Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules).....................................26 
1.3.3. Dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton................................................27 
1.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH PHI TUYẾN ..............................................28 
1.4.1. Phương pháp phân tích ....................................................................................29 
1.4.2. Phương pháp đồ thị ..........................................................................................29 
1.4.3. Phương pháp phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal 
method) ......................................................................................................................30 
1.5. PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ .........................................................................32 
1.5.1. Phân loại dựa trên đặc tính vật lý: ...................................................................32 
1.5.2. Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: ..........................33 
1.5.3. Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu: ...................................................33 
1.5.4. Phân loại dựa vào ứng dụng:............................................................................33 
1.5.5. Phân loại theo đặc tính điện .............................................................................34 
CÂU HỎI ÔN TẬP...........................................................................................................34 
CHƯƠNG 2 – VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ ............................................................................36 
2.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ ...................................................................36 
2.1.1. Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử ......................................................................36 
2.1.2. Phân loại vật liệu điện tử .................................................................................40 
2.2. CHẤT CÁCH ĐIỆN ..................................................................................................40 
Mục lục 
6 
2.2.1. Định nghĩa........................................................................................................ 40 
2.2.2. Các tính chất của chất điện môi. ...................................................................... 40 
2.2.3. Phân loại chất điện môi.................................................................................... 42 
2.3. CHẤT DẪN ĐIỆN .................................................................................................... 43 
2.3.1. Định nghĩa........................................................................................................ 43 
2.3.2. Các tính chất của chất dẫn điện ....................................................................... 44 
2.4. VẬT LIỆU TỪ........................................................................................................... 47 
2.4.1. Định nghĩa........................................................................................................ 47 
2.4.2. Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ ............................................................ 48 
2.4.3. Phân loại và ứng dụng của vật liệu từ.............................................................. 52 
2.5. THẠCH ANH VÀ ỨNG DỤNG............................................................................... 55 
2.6. CHẤT BÁN DẪN ..................................................................................................... 56 
2.6.1 Định nghĩa chất bán dẫn ................................................................................... 56 
2.6.2 Chất bán dẫn thuần nguyên chất (Intrinsic semiconductor) ............................. 57 
2.6.3 Chất bán dẫn không thuần ................................................................................ 64 
CÂU HỎI ÔN TẬP........................................................................................................... 72 
BÀI TẬP ........................................................................................................................... 73 
CHƯƠNG 3 – CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG....................................................................... 75 
3.1. ĐIỆN TRỞ (Resistor) ................................................................................................ 75 
3.1.1 Định nghĩa......................................................................................................... 75 
3.1.2 Cấu tạo điện trở................................................................................................. 76 
3.1.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở .................................................... 76 
3.1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở ...................................................... 80 
3.1.5. Điện trở cao tần và mạch tương đương............................................................ 82 
3.1.6. Phân loại điện trở ............................................................................................. 83 
3.1.7 Một số điện trở đặc biệt .................................................................................... 85 
3.1.8. Hình ảnh của một số loại điện trở trong thực tế .............................................. 87 
3.2 TỤ ĐIỆN (Capacitor) ................................................................................................. 90 
3.2.1 Định nghĩa......................................................................................................... 90 
3.2.2 Cấu tạo của Tụ điện .......................................................................................... 90 
3.2.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện...................................................... 91 
3.2.4. Ký hiệu của tụ điện .......................................................................................... 93 
3.2.5. Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện.............................................................. 93 
3.2.6. Tụ điện cao tần và mạch tương đương: ........................................................... 95 
3.2.7. Phân loại .......................................................................................................... 96 
Mục lục 
7 
3.2.8. Ứng dụng của tụ điện.......................................................................................98 
3.8.9 Hình ảnh của một số loại tụ trong thực tế .........................................................99 
3.3 CUỘN CẢM (Inductor) ............................................................................................103 
3.3.1. Định nghĩa......................................................................................................103 
3.3.2. Cấu tạo cuộn cảm...........................................................................................103 
3.3.3. Ký hiệu của cuộn cảm....................................................................................104 
3.3.4. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây................................................104 
3.3.5. Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây .........................................................105 
2.3.6. Phân loại.........................................................................................................107 
3.5.7. Hình ảnh của một số loại cuộn cảm trong thực tế.........................................108 
3.4. BIẾN ÁP (Transformer)...........................................................................................109 
3.4.1. Định nghĩa và cấu tạo của biến áp .................................................................109 
3.4.2. Nguyên lý hoạt động của biến áp...................................................................109 
3.4.3. Các tham số kỹ thuật của biến áp...................................................................110 
3.4.4. Ký hiệu của biến áp........................................................................................111 
3.4.5. Phân loại và ứng dụng....................................................................................112 
3.4.6. Thiết kế biến áp nguồn...................................................................................115 
3.5. CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC .............................................................................118 
CHƯƠNG 4 – ĐIỐT .....................................................................................................121 
4.1. TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN Ở ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG 
NHIỆT.............................................................................................................................121 
4.1.1. Chất bán dẫn nồng độ pha tạp không đồng đều .............................................121 
4.1.2. Quan hệ Boltzman (Quan hệ giữa điện thế tĩnh điện φ(x) và nồng độ hạt tải 
điện) .........................................................................................................................125 
4.2. TIẾP GIÁP PN.........................................................................................................126 
4.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................................127 
4.2.2 Chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng nhiệt ...................................................127 
4.2.3 Chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực ........................................................133 
4.2.4. Đặc tuyến V-A của tiếp giáp PN....................................................................137 
5.2.5. Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN ......................................................141 
4.2.6. Điện dung của chuyển tiếp PN.......................................................................142 
4.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỐT BÁN DẪN..........................................................143 
4.4. ĐIỐT CHỈNH LƯU.................................................................................................145 
4.4.1. Cấu tạo ...........................................................................................................145 
4.4.2. Nguyên lý hoạt động......................................... ... hệ thống, các đặc điểm về công nghệ, tốc độ xử lý, mức tiêu thụ 
năng lượng, cách bố trí các pins, các lược đồ khối, các điều kiện vật lý như kích thước, 
nhiệt độ, điện áp... 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
441 
Tất cả các bước thiết kế trong system design đều được diễn ra mà không có sự hỗ 
trợ đặc biệt nào từ các công cụ chuyên dụng. 
Sau khi có bản thiết kế (yêu cầu) hệ thống, trưởng dự án sẽ chia nhỏ công việc ra 
cho từng đội thiết kế. Mỗi đội sẽ đảm nhận một bộ phận nào đó trong hệ thống, ví dụ đội 
CPU, đội bus, đội peripheral, đội phần mềm, đội test... 
Thiết kế chức năng 
Phần này là bước kế tiếp của system design, ví dụ cho đội CPU. Team leader sẽ là 
người quyết định spec. chi tiết của CPU dựa trên yêu cầu hệ thống từ trưởng dự án. Các 
cuộc design review sẽ diễn ra hàng tuần giữa các team leaders và trưởng dự án. Sau 
nhiều review, thảo luận như vậy, một bản spec. khá chi tiết cho CPU sẽ được hoàn thiện 
dưới dạng document (word, pdf) với hàng trăm lược đồ khối (block diagram), biểu đồ 
thời gian (timing chart), các loại bảng biểu. 
Team leader chịu trách nhiệm chia nhỏ công việc cho từng thành viên trong đội. Ví 
dụ một người đảm nhận phần ALU, một người đảm nhận phần Decoder,... 
Tới lượt mình, từng thành viên sẽ sử dụng các công cụ chuyên dụng để thiết kế bộ 
phận (module) mình đảm nhận. Trào lưu hiện nay là dùng ngôn ngữ thiết kế phần cứng 
(Verilog-HDL, VHDL, System-C...) để hiện thực hóa các chức năng logic. Người ta gọi 
mức thiết kế này là thiết kế mức RTL (Register Transfer Level). Thiết kế mức RTL nghĩa 
là không cần quan tâm đến cấu tạo chi tiết của mạch điện mà chỉ chú trọng vào chức 
năng của mạch dựa trên kết quả tính toán cũng như sự luân chuyển dữ liệu giữa các 
register (flip-flop). 
Thông thường các file text như trên được gọi là các file RTL (trường hợp viết bằng 
ngôn ngữ Verilog hoặc VHDL). 
Để kiểm tra chính đúng đắn của mạch điện, người ta dùng một công cụ mô phỏng 
ví dụ như NC-Verilog (Native Code Verilog) hay NC-VHDL của hãng Cadence, 
ModelSim của hãng Mentor Graphics. Quá trình debug sẽ được lặp đi lặp lại trên máy 
tính cho tới khi thiết kế thoả mãn yêu cầu từ team leader. Thành quả của thành viên là 
các file RTL. 
Team leader sẽ tổng hợp các file RTL từ thành viên, ghép các module với nhau 
thành một module lớn, đó chính là RTL cho cả CPU. Tới lượt mình team leader sẽ dùng 
simulator để mô phỏng và kiểm tra tính đúng đắn của CPU, nếu có vấn đề thì sẽ feedback 
lại cho thành viên yêu cầu họ sửa. 
Sau khi đã được test cẩn thận, toàn bộ cấu trúc RTL trên sẽ được nộp cho trưởng 
dự án. Tương tự đối với các module khác: bus, peripherals,... 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
442 
Các module trên lại được tiếp tục ghép với nhau để cấu thành nên một SoC hoàn 
chỉnh, bao gồm: CPU, system bus, peripherals... SoC này là thành quả của phần Function 
design. 
Tổng hợp – Đặt – Định tuyến 
Đây là bước chuyển những RTLs đã thiết kế ở phần 2 xuống mức thiết kế thấp hơn. 
Các chức năng mức trừu tượng cao (RTL) sẽ được hoán đổi (synthesize) thành các quan 
hệ logic (NOT, NAND, NOR, MUX,...). Các tool chuyên dụng sẽ thực hiện nhiệm vụ 
này, ví dụ như Design Compiler của hãng Synopsys, Synplify của hãng Synplicity, XST 
của hãng Xilinx.... Kết quả hoán đổi sẽ khác nhau tùy theo synthesis tool và thư viện. 
Thư viện ở đây là bộ các "linh kiện" và "macro" - được cung cấp bởi các nhà sản xuất 
bán dẫn. Ví dụ hãng NEC có một thư viện riêng, hãng SONY có một thư viện riêng, hãng 
Xilinx cũng có thư viện của riêng mình. Việc chọn thư viện nào phụ thuộc vào việc hãng 
nào sẽ sản xuất chip sau này. Ví dụ SoC lần này sẽ mang đi nhờ TSMC của Đài Loan sản 
xuất, vậy sẽ chọn thư viện của TSMC. 
Kết quả của bước Synthesis này là các "net-list" cấu trúc theo một tiêu chuẩn nào 
đó, thường là EDIF (Electronic Design Interchange Format). 
Net-list đánh dấu sự hoàn thành thiết kế SoC ở mức độ "thượng lưu". 
Thiết kế Layout 
Phần này là khởi đầu cho thiết kế mức "hạ lưu", thường được đảm nhiệm bởi 
chuyên gia trong các hãng sản xuất bán dẫn. Họ sử dụng các công cụ CAD để chuyển 
net-list sang kiểu data cho layout. Netlist sẽ trở thành bản vẽ cách bố trí các transistor, 
capacitor, resistor,... Ở đây phải tuân thủ nghiêm ngặt một thứ gọi là Design Rule. Ví dụ 
chip dùng công nghệ 65nm thì phải dùng các kích thước là bội số của 65nm... 
Mask pattern design 
Bước kế tiếp của layout design là mask pattern. Phần này thực ra giống hệt với 
artwork trong thiết kế bản in. Các bộ mask (cho các bước sản xuất khác nhau) sẽ được 
tạo ra dưới dạng data đặc biệt. Mask data sẽ được gửi tới các nhà sản xuất mask để nhận 
về một bộ mask kim loại phục vụ cho công việc sản xuất tiếp theo. 
Sản xuất mask 
Có thể xem mask là cái khuôn để đúc vi mạch lên tấm silicon. Công nghệ sản xuất 
mask hiện đại chủ yếu dùng tia điện tử (EB - Electron Beam). Các điện tử với năng 
lượng lớn (vài chục keV) sẽ được vuốt thành chùm và được chiếu vào lớp film Crom đổ 
trên bề mặt tấm thủy tinh. Phần Cr không bị che bởi mask (artwork) sẽ bị phá hủy, kết 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
443 
quả là phần Cr không bị chùm electron chiếu vào sẽ trở thành mask thực sự. Một chip 
cần khoảng 20 tới 30 masks. Giá thành các tấm mask này cực đắt, cỡ vài triệu USD. 
Hình 9.3 - Quy trình sản xuất Mark 
Chuẩn bị wafer 
Đây là bước tinh chế cát (SiO2) thành Silic nguyên chất (99.999999999%). Silic 
nguyên chất sẽ được pha thêm tạp chất là các nguyên tố nhóm 3 hoặc nhóm 5. Ví dụ pha 
B sẽ được wafer loại p, pha P sẽ ra wafer loại n. Silicon sẽ được cắt thành các tấm tròn 
đường kính 200mm hoặc 300mm với bề dày cỡ 750um. Có các công ty chuyên sản xuất 
silicon wafer. Chẳng hạn Shin'Etsu là công ty cung cấp khoảng 40% silicon wafer cho thị 
trường bán dẫn Nhật Bản. Giá một tấm wafer 200mm khoảng 20 USD. 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
444 
Hình 9.4 - Cấu trúc wafer 
Các quá trình xử lý wafer 
Tất cả được thực hiện trong môi trường siêu sạch (ultra clean room). Sau đây là 
một số processes trong clean room: 
* Rửa (wet process): đây là bước làm sạch wafer bằng các dung dịch hóa học. Ví 
dụ APM (hỗn hợp NH4OH/H2O2/H2O) dùng để làm sạch các particle như bụi trong 
không khí, bụi từ người bay ra; HPM (hỗn hợp HCl/H2O2/H2O) dùng làm sạch các tạp 
chất và kim loại hiếm (Cu, Au, Pt...); HPM (hỗn hợp H2SO4/H2O2) làm sạch các tạp chất 
hữu cơ (resist) và kim loại (Ze, Fe...); DHF (axit HF loãng) dùng để loại bỏ các phần 
SiO2 không cần thiết. 
* Ô-xi hóa (Oxidation): tạo SiO2 trên bề mặt wafer trong đó lớp SiO2 mỏng cỡ 1 tới 
2 nanomet sẽ trở thành gate của transistor. 
SiO2 Thin Oxide
Silicon Wafer
* CVD (Chemical Vapor Deposition): tạo các lớp film mỏng trên bề mặt wafer 
bằng phương pháp hóa học (SiO2, Si3N4. Poly-Si, WSi2). Ví dụ có thể dùng CVD ở áp 
suất thấp trong môi trường SiH4 và H2 để tạo ra lớp poly-Si (Si đa tinh thể) để làm điện 
cực cho transistor. 
Silicon
Polysilicon
* Cấy Ion (Ion implantation): Sử dụng các nguồn ion năng lượng cao (vài chục tới 
vài trăm keV, nồng độ cỡ 2E-15 cm-3) bắn trực tiếp lên bề mặt Si nhằm thay đổi nồng độ 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
445 
tạp chất trong Si. Ví dụ bắn các ion As để tạo ra vùng n+ để làm source và drain cho 
MOSFET. 
* Cắt (etching): loại bỏ các phần SiO2 không cần thiết. Có hai loại: wet-etching 
dùng axit HF loãng để hòa tan SiO2; dry-etching dùng plasma để cắt SiO2 khỏi bề mặt Si 
* Quang khắc - Photolithography: phương pháp xử lý quang học để transfer mask 
pattern lên bề mặt wafer. Wafer sẽ được phết một lớp dung dịch gọi là resist, độ dày của 
lớp này khoảng 0.5um. Ánh sáng sẽ được chiếu lên mask, phần ánh sáng đi qua sẽ làm 
mềm resist. Sau khi rửa bằng dung dịch đặc biệt (giống tráng ảnh), phần resist không bị 
ánh sáng chiếu vào sẽ tồn tại trên wafer như là mask. (trong trường hợp này resist là loại 
positive). 
Wafer
Photoresist
Mask
UV Light
* Sputtering: Là phương pháp phủ các nguyên tử kim loại (Al, Cu) lên bề mặt 
wafer. Ion Ar+ với năng lượng khoảng 1 keV trong môi trường plasma sẽ bắn phá các 
target kim loại (Al, W, Cu), các nguyên tử kim loại sẽ bật ra bám lên bề mặt wafer. Phần 
bị phủ sẽ trở thành dây dẫn nối các transistor với nhau. 
* Annealing: Xử lý nhiệt giúp cho các liên kết chưa hoàn chỉnh của Si (bị damaged 
bởi ion implantation etc.) sẽ tạo liên kết với H+. Việc này có tác dụng làm giảm các trap 
năng lượng tại bề mặt Si và SiO2. 
* CMP (Chemical Mechanical Polishing): Làm phẳng bề mặt bằng phương pháp 
cơ-hóa. Đây là kỹ thuật mới được áp dụng vào semiconductor process. Có tác dụng hỗ 
trợ thêm cho các xử lý như photolithography, etching etc. 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
446 
Polysilicon GateSiO2
Insulator
n+ n+
p substrate
channel
Source Drain
n transistor
G
S
D
SB
L
W
G
S
D
substrate connected
to GND
p+ p+
n substrate
channel
Source Drain
p transistor
G
S
D
SB
Polysilicon GateSiO2
Insulator L
W
G
substrate connected
to VDD
Kiểm tra - Đóng gói - Xuất xưởng 
Các xử lý ở phần 3 sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào mức độ phức tạp 
của chip. Cuối cùng chip sẽ được cắt rời (một tấm wafer 300mm có thể tạo được khoảng 
90 con chip Pentium IV). Một loạt các xử lý khác như back grinding (mài mỏng phần 
mặt dưới của chip), bonding (nối ra các pins, dùng chì mạ vàng hoặc đồng), mold (phủ 
lớp cách điện), marking (ghi tên hãng sản xuất). Các định dạng chân phổ biến được 
đóng gói: PGA (pin grid array), BGA (Ball Grid Array), QFP (Quad Flat Package) 
9.4 ỨNG DỤNG VI MẠCH 
Vi mạch tích hợp được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử trong nhiều lĩnh 
vực dân dụng, công nghiệp, giải trí, Điển hình 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. Vi mạch tích hợp hiện nay cũng rất đa dạng: Các loại vi mạch tích 
hợp tương tự, vi mạch tích hợp số, 
9.4.1 Vi mạch tích hợp tương tự (Analog IC) 
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 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
447 
2. Vi mạch ổn áp (regulator IC) 
Chúng 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 
• mA723C : 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 
3. 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. 
4. 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 
5. Vi mạch định thời (Timer IC) 
Thường 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 
 Chương 9 - Giới thiệu về công nghệ chế tạo mạch tích hợp 
448 
6. 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 
7. Vi mạch khuếch đai 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 
8. 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. 
9.4.2 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 dịch (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, ví dụ 74XX, 54XX, 74LSXX, 74LXX, 
74HXX, v.v 
Các 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 
Tài liệu tham khảo 
449 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Trần Thị Cầm, Giáo trình Cấu kiện điện tử và quang điện tử, Học viện 
CNBCVT, 2002 
[2]. Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, Preliminary Edition, Wiley 
Press, May 2006. 
[3]. Fonstad, C. G. Microelectronic Devices and Circuits. New York, NY: 
McGraw-Hill, 1994. ISBN: 0070214964. 
[4]. Sedra, A. S., and K. C. Smith. Microelectronic Circuits. 4th ed. New York, 
NY: Oxford University Press, 1998. ISBN: 0195116631. 
[5]. Howe, R. T., and C. G. Sodini. Microelectronics: An Integrated Approach. 
Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1997. ISBN: 0135885183. 
[6]. Pierret, R. F. Semiconductor Device Fundamentals. Upper Saddle River, NJ: 
Prentice Hall, 1995. ISBN: 0201543931. 
[7]. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices, 3nd Edition, Wiley, 2006. 
[8]. P. W. Tuinenga, SPICE, A Guide to Circuit Simulation & Analysis using 
PSpice, Prentice Hall, 1995. 

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_mon_cau_kien_dien_tu.pdf