1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ
VI MẠCH ĐIỆN TỬ
HỆ: ĐẠI HỌC
NGHÀNH: CNKT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ
Biên soạn: NGUYỄN THỊ THU HÀ
Năm 2021
2
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH TÍNH HỢP ......................................................................5
1.1 Tổng quan ..................................................................................................................................... 5
1.2 Các loại mạch tích hợp ......................................................................................................7
1.3 Phân loại IC .......................................................................................................................7
1.3.1 Phân loại theo công dụng ............................................................................................7
1.3.2 Phân loại theo tín hiệu được xử lý ...............................................................................8
1.4 Quy trình tạo mạch tich hợp .......................................................................................................... 8
1.5 Phân tích mạch tích hợp số và tương tự ........................................................................................ 9
1.6 Giới thiệu qui trình sản xuất IC bắt đầu từ phiến silicon ................................................... 10
- Hình 1.4 Các lớp cắt miếng Silicon ................................................................................................ 10
1.7 Lịch sử ra đời của vi mạch tích hợp .................................................................................................. 11
CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA CÁC LINH KIỆN MOS .......................................................................... 15
2.1 Khái niệm .................................................................................................................................... 15
2.2 Cấu tạo ........................................................................................................................... 17
2.3 Phân loại ........................................................................................................................ 17
2.3 Đặc tính kỹ thuật .............................................................................................................. 23
2.3.1 Công suất tiêu tán ....................................................................................................................... 23
2.3.2 Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyển mạch) ............................................................................... 23
2.3.3 Điện áp vào và ra của các loại CMOS ....................................................................................... 24
2.3.4 Dòng điện ngõ vào và ngõ ra ..................................................................................................... 25
2.3.5 Hệ số tải ..................................................................................................................................... 25
2.3.6 Tính kháng nhiễu ....................................................................................................................... 25
2.4 Các IC cổng logic .......................................................................................................................... 25
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ XỬ L Ý CMOS .............................................................................. 26
3.2 Quy trình chế tạo Wafer .................................................................................................. 28
3.2.1 Sự dẫn điện của bán dẫn thuần ................................................................................ 28
3.2.2 Bán dẫn tạp chất ....................................................................................................... 28
3.3 Phương pháp khuếch tán và bắn electron ....................................................................... 34
3.4 Quy trình tạo linh kiên và đấu dây .................................................................................... 35
4.5 Tổng quát quy trình từ miếng Siliccon đến die ................................................................. 35
CHƯƠNG 4: MẠCH CMOS VÀ THIẾT KẾ LAYOUT ................................................................. 45
4.1 Thiết kế vật lý cơ bản các công logic cơ bản ................................................................................ 45
4.1.1 Cổng NOT .................................................................................................................................. 45
4.1.2 Cổng AND ................................................................................................................................. 45
3
4.1.3 Cổng NAND .............................................................................................................................. 46
4.1.4 Cổng XOR .................................................................................................................................. 46
4.2 Layout cổng logic .......................................................................................................... 47
4.2.1 Cổng NOT .................................................................................................................................. 48
4.2.2 Cổng NOR.................................................................................................................................. 49
4.2.3 Cổng NAND ............................................................................................................................. 49
4.2.1 Những thành phần cơ bản trong thiết kế Layout ........................................................................ 51
CHƯƠNG 5: CÔNG NGHỆ VI MẠCH TÍCH HỢP ..................................................................... 55
5.1 Các bước thiết kế và chế tạo một IC ................................................................................ 55
5.1.1 Thiết kế hệ thống ( System design) ............................................................................................ 55
5.1.2 Thiết kế chức năng ( Funtion design)......................................................................................... 56
5.3 Tổng hợp – Sắp đặt linh kiện – vẽ dây kết nối ( Synthesis – Place – Route) .................... 56
5.1.4 Thiết kế phân lớp ( layout design) ............................................................................................. 57
5.1.5 Thiết kế các mặt nạ ( Mask pattern design) ............................................................................... 57
5.1.6 Sản xuất mask ............................................................................................................................ 57
5.1.7 Chuẩn bị wafer ........................................................................................................................... 57
5.1.8 Quá trình xử lý wafer ................................................................................................................. 58
5.1.9 Kiểm tra dóng gói và xuất xưởng ............................................................................................... 63
5.1.10 Mô hình các bước chế tạo IC ................................................................................................... 63
5.3 Quy tắc layout vi mạch .................................................................................................... 64
CHƯƠNG 6: BỘ NHỚ .............................................................................................................. 66
6.1 Tổng quan về bộ nhớ ...................................................................................................... 66
6.2 Tổ chức bộ nhớ bán dẫn ................................................................................................. 68
6.2.1 Hoạt động của bộ nhớ ............................................................................................... 68
6.2.2 Bộ nhớ trong. ........................................................................................................... 71
6.3 Bộ nhớ ROM ................................................................................................................ 72
6.3.1 Hoạt động đọc ............................................................................................................................ 74
6.3.2 Cấu trúc của ROM .................................................................................................... 74
6.3.3 Thông số thời gian của ROM .................................................................................... 76
6.4 Bộ nhớ RAM ................................................................................................................ 77
CHƯƠNG 7: CÔNG NGHỆ FPGA ............................................................................................................ 79
7.1 Khái niệm FPGA ............................................................................................................................... 79
7.2 Cấu trúc tổng quát FPGA ................................................................................................................. 79
7.3. Các công nghệ lập trình chip ............................................................................................................ 81
7.4 Các loại FPGA trên thị trường .......................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHÁO ........................................................................................................... 118
4
Giáo viên soạn
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay công nghệ vi điện tử được xem là một nghành mũi nhọn trong lĩnh vực công
nghệ cao. Cùng hòa nhịp với thế giới Việt Nam cũng đang góp phần đẩy mạch nghành
công nghiệp này với những ưu thế lực lượng lao động trẻ cao, giáo dục ngày càng phát
triển, quan trọng là chính trị ổn định và được chính phủ chú ý phát triển nghành công
nghệ ngày càng cao này trong tương lai cụ thể các trường học và đang đưa chương trình
công nghệ vi điện tử vào giảng dạy và thành lập riêng chuyên nghành song song đồng
hành với các chuyên nghành đã tốn tại từ lâu như chuyên nghành viễn thông, tự
động…..Với sản xuất cũng đã có rất nhiều công ty đầu tư vào Việt Nam nhưng trội nhất là
Intel đã đầu tư lớn với bước đầu đóng gói và kiểm định chip, tương lai sẽ phát triển chuyển
qua thiết kế tích hợp.
Với những lý do đó trên bài giảng vi mạch điện tử muốn đưa tới cho sinh viên những khái
niệm và quy trình tạo ra một IC từ những ý tưởng ban đàu đến công đoạn hoàn thành cuối
cùng ra một IC sử dụng thực tế. Ngoài ra cũng hưởng tới khái niệm căn bản về thiết kế
chip lập trình chip FPGA.
Công nghệ ngày càng phát triển và nhất là trong lĩnh vực công ghệ cao thì sự thay đổi
công nghệ cũng không ngoài xu thế đó, vì vậy giáo trình sẽ còn những khiểm khuyết
mong các đồng nghiệp và sinh viên góp ý để bài giảng ngày càng hoàn thiện
Nguyễn Thị Thu Hà
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH TÍNH HỢP
1.1
Tổng quan
Bắt đầu từ năm 1949, khi kỹ sư người Đức Werner Jacobi (Siemens AG) nộp bằng sáng
chế cho một thiết bị khuếch đại bán dẫn.
Ngày 12 tháng 9 năm 1958, Jack Kilby trình bày vi mạch đầu tiên, sau đó giành được giải
thưởng Nobel Vật lý năm 2000.
Sau đó nửa năm Noyce thông tin cho Kurt Lehovec về các nguyên tắc của tiếp giáp p-n
cô lập gây ra bởi tác động của một tiếp giáp p-n có thiên áp (diode), đây là một khái niệm
quan
Năm 1968, Federico Faggin đã gia nhập Intel và phát triển các đơn chip Central
Processing Unit (CPU) (Intel 4004) đầu tiên.
IC (Intergated-Circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều
được chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế (substrate) hay thân hoặc không thể tách rời
nhau được. Đế này có thể là một phiến bán dẫn có thể là Si hoặc Ge (hầu hết là Si) hoặc
một phiến cách điện. Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn
micron, dày cỡ vài trăm micron được đựng trong một vỏ bằng kim loại hoặc bằng plastic.
Những IC như vậy thường là một bộ phận chức năng (function device) tức là một bộ phận
có khả năng thể hiện một chức năng điện tử nào đó. Sự kết tụ (integration) các thành
phần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn là
hướng tìm tòi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử. Nhu cầu của sự kết tụ phát minh từ
sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến
phức tạp, từ nhỏ đến lớn, từ tần số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh). Sự
tiến triển này là kết quả tất yếu của nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức
(information) ngày càng nhiều của xã hội phát triển. Sự tích hợp vào IC thường thực hiện
ở giai đoạn bộ phận chức năng. Song khái niệm tích hợp không nhất thiết dừng lại ở giai
đoạn này. Người ta vẫn nỗ lực để tích hợp với mật độ cực cao trong IC, nhằm hướng tới
việc tích hợp toàn thể hệ thống điện tử trên một IC (chip) Các mật độ tích hợp:
-
SSI (Small scale integration): Tích hợp qui mô nhỏ
-
MSI (Medium scale intergration): Tích hợp qui mô trung bình
-
LSI (Large scale integration): Tích hợp theo qui mô lớn
-
GSI (Ultra large scale integration): Tích hợp qui mô khổng lồ