Làm thế nào các mạch tích hợp hoạt động, về mặt vật lý?

Mạch tích hợp được định nghĩa là mạch bao gồm các phần tử không thể tách rời và được kết nối với nhau về mặt điện sao cho vi mạch không thể tách rời vì lý do thương mại và xây dựng. Vô số công nghệ có thể được sử dụng để xây dựng một mạch như vậy. Ngày nay cái mà chúng ta gọi là IC, ban đầu được biết đến như một mạch tích hợp nguyên khối. Người ta tin rằng Kilby đã tạo ra vi mạch hoạt động đầu tiên vào năm 1958 và ông đã giành được giải Nobel Vật lý năm 2000 cho công việc khó khăn của mình. Người mua đầu tiên cho phát minh này là Không quân Hoa Kỳ.

Mạch tích hợp là gì?

Mạch tích hợp (IC), đôi khi được gọi là chip hoặc vi mạch, là một tấm bán dẫn trên đó có hàng nghìn hoặc hàng triệu điện trở, tụ điện và bóng bán dẫn cực nhỏ được chế tạo. IC có thể là một chức năng như một bộ khuếch đại, bộ dao động, bộ đếm thời gian, bộ đếm, bộ nhớ máy tính hoặc bộ vi xử lý. Một vi mạch chính xác được phân loại là tuyến tính (tương tự) hoặc kỹ thuật số tùy thuộc vào ứng dụng trong tương lai của nó. Các mạch tích hợp đã làm biến dạng tất cả những điều đó. Ý tưởng cơ bản là có được một mạch điện hoàn chỉnh, với rất nhiều linh kiện và mối liên hệ giữa chúng, và tái tạo lại toàn bộ ở dạng cực nhỏ trên bề mặt của một miếng silicon. Đó là một ý tưởng cực kỳ thông minh và nó đã tạo ra tất cả các loại tiện ích “vi điện tử” khác nhau, từ đồng hồ kỹ thuật số và máy tính bỏ túi cho đến tên lửa hạ cánh trên Mặt trăng và vũ khí với định vị vệ tinh tích hợp.

Mạch tích hợp được tạo ra như thế nào?

Làm thế nào để chúng ta xây dựng bộ nhớ hoặc chip xử lý cho máy tính? Tất cả bắt đầu với một nguyên tố hợp chất thô như silicon, được xử lý hóa học hoặc pha tạp để tạo ra nó và nó có các tính chất điện khác nhau.

Ký hiệu mạch tích hợp

Chất bán dẫn doping

Thông thường, mọi người nghĩ về thiết bị phù hợp thành hai loại gọn gàng: loại cho phép dòng điện chạy qua chúng khá dễ dàng (chất dẫn điện) và loại không (chất cách điện). Kim loại tạo nên hầu hết các chất dẫn điện, trong khi các phi kim như chất dẻo, gỗ và thủy tinh là chất cách điện. Trên thực tế, các hiệu ứng phức tạp hơn nhiều, đặc biệt là khi xác định các nguyên tố ở trung tâm của bảng tuần hoàn (trong nhóm 14 và 15), đặc biệt là silicon và germani. Thông thường, chất cách điện là các phần tử được chuẩn bị để hoạt động giống như chất dẫn điện hơn nếu chúng ta đưa một lượng nhỏ tạp chất vào chúng trong một quy trình gọi là pha tạp.

Thiết kế mạch tích hợp

Nếu bạn thêm antimon vào silicon, bạn cung cấp cho nó một lượng điện tử hơi thừa hơn mức thường bao gồm khả năng dẫn điện. Silicon “pha tạp” theo cách đó được gọi là silicon loại n. Khi bạn thêm boron thay vì antimon, bạn sẽ lấy đi một số electron của silicon, để lại những “lỗ trống” hoạt động như “electron âm”, tiếp theo, vận chuyển dòng điện dương theo cách ngược lại. Loại silicon như vậy được gọi là loại p. Đặt các khu vực của silicon loại n và loại p cạnh nhau để tạo ra các điểm nối trong đó các điện tử hoạt động theo những cách rất hấp dẫn là cách mà chúng ta tạo ra điện tử, Thiết bị bán dẫn như điốt, bóng bán dẫn và bộ nhớ.

Bên trong nhà máy chip

Quy trình sản xuất mạch tích hợp bắt đầu với một đơn tinh thể silicon lớn, có hình dạng giống như một đường ống rắn dài, được “cắt lát xúc xích Ý” thành các đĩa mỏng (kích thước bằng một đĩa compact) được gọi là tấm xốp. Các tấm wafer được đánh dấu thành nhiều khu vực hình vuông hoặc hình chữ nhật giống hệt nhau, mỗi khu vực sẽ tạo nên một chip silicon duy nhất (đôi khi được gọi là vi mạch). Sau đó, hàng nghìn, hàng triệu hoặc hàng tỷ bộ máy được sản xuất trên mỗi con chip bằng cách pha tạp các khu vực khác nhau trên bề mặt để biến chúng thành silicon loại n hoặc loại p.

Bên trong chip làm việc

Doping được hoàn thành bởi nhiều quá trình khác nhau. Trong một trong số chúng, được gọi là phún xạ, các ion của vật liệu pha tạp được bắn vào tấm silicon giống như đạn từ súng. Một quy trình nữa được gọi là lắng đọng hơi bao gồm việc đưa vật liệu pha tạp vào dưới dạng khí và để nó tập trung sao cho các nguyên tử tạp chất tạo ra một màng mỏng trên bề mặt của tấm silicon. Biểu mô chùm tia phân tử là một dạng chính xác hơn nhiều của tuyên bố.

Tất nhiên, việc xây dựng các mạch tích hợp đóng gói hàng trăm, hàng triệu hoặc hàng tỷ bộ máy vào một con chip silicon có kích thước như móng tay đều khó hơn một chút so với âm thanh. Hãy tưởng tượng sự hỗn loạn khi một chấm bụi bẩn có thể gây ra khi bạn làm việc ở quy mô hiển vi (hoặc đôi khi thậm chí là quy mô Nano). Đó là lý do tại sao chất bán dẫn được điều chế trong môi trường phòng thí nghiệm không tì vết được gọi là phòng sạch, nơi không khí được lọc kỹ lưỡng và nhân viên phải ra vào qua các chốt gió để làm kiệt tất cả các loại quần áo bảo hộ.

Các loại mạch tích hợp

Các loại mạch tích hợp khác nhau bao gồm các loại sau

Mạch tích hợp kỹ thuật số

Loại vi mạch này có hai mức xác định: 1 và 0 ngụ ý rằng chúng hoạt động trên toán học nhị phân, trong đó 1 là bật và 0 là tắt. Các vi mạch như vậy được hoàn thiện một cách siêng năng vì chúng chứa hơn hàng triệu flip flops, cổng logic và những thứ khác, tất cả đều được kết hợp vào một chip duy nhất. Ví dụ về vi mạch kỹ thuật số bao gồm vi điều khiển và vi xử lý .

Các loại mạch tích hợp

• IC logic
• Chip bộ nhớ,
• IC giao diện (bộ chuyển mức, bộ nối tiếp / khử nối tiếp, v.v.)
• IC quản lý nguồn
• Thiết bị có thể lập trình

Mạch tích hợp tương tự

Các mạch tích hợp tương tự hoạt động bằng cách xử lý các tín hiệu liên tục và có khả năng thực hiện các tác vụ như lọc, khuếch đại, giải điều chế và điều chế, v.v. Cảm biến, OP-AMP về cơ bản là IC Analog .

• IC tuyến tính
• IC RF

Tín hiệu hỗn hợp

Khi các IC kỹ thuật số và tương tự được sử dụng trên một chip, IC kết quả được gọi là mạch tích hợp tín hiệu hỗn hợp.

• IC thu thập dữ liệu (bao gồm bộ chuyển đổi A / D, bộ chuyển đổi D / A, chiết áp kỹ thuật số)
• Đồng hồ / IC thời gian

Sử dụng mạch tích hợp

Mạch tích hợp sử dụng vật liệu bán dẫn (chip đọc) làm bàn làm việc và thường silicon được chọn cho nhiệm vụ này. Sau đó, thành phần điện tử chẳng hạn như điốt, bóng bán dẫn và điện trở, v.v. được thêm vào chip này ở dạng thu nhỏ. Các thành phần điện được kết hợp với nhau theo cách mà chúng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ và tính toán. Silicon được biết đến như một tấm wafer trong bộ phận lắp ráp này.

Các ứng dụng của mạch tích hợp

Các ứng dụng của IC bao gồm những điều sau đây

• Rađa
• Đồng hồ đeo tay
• Ti vi
• Máy làm nước trái cây
• Máy tính
• Bộ xử lý video
• Bộ khuếch đại âm thanh
• Thiết bị bộ nhớ
• Thiết bị logic
• Tần số vô tuyến Bộ mã hóa và Bộ giải mã

Trong bài viết này, chúng tôi đã thảo luận ngắn gọn về mạch tích hợp bao gồm mạch tích hợp là gì, mạch tích hợp được tạo ra như thế nào, v.v. Hai loại phương pháp đã được sử dụng để chế tạo mạch tích hợp với sự hỗ trợ của chất bán dẫn pha tạp chất bên trong nhà máy chip. Chúng tôi đã đề cập đến các loại mạch tích hợp khác nhau như mạch tích hợp kỹ thuật số, mạch tích hợp tương tự và cuối cùng là tín hiệu hỗn hợp với các ví dụ. Ngoài việc sử dụng mạch tích hợp và các ứng dụng của mạch tích hợp cũng đã được thảo luận.

Hơn nữa, đối với bất kỳ câu hỏi nào liên quan đến khái niệm này hoặc để thực hiện các dự án điện và điện tử , hãy đóng góp ý kiến ​​quý báu của bạn bằng cách bình luận trong phần bình luận bên dưới. Dưới đây là một câu hỏi cho bạn, chức năng chính của một vi mạch là gì?