Vi mạch tích hợp là gì? Ứng dụng và xu hướng tương lai của Integrated Circuit

Mạch tích hợp (IC) là gì?

Mạch tích hợp (IC), còn được gọi là vi mạch hoặc chip, là một tập hợp các mạch điện tử nhỏ gọn được tạo thành từ nhiều linh kiện điện tử khác nhau — chẳng hạn như bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện — cùng với các kết nối của chúng. Các linh kiện này được chế tạo trên một miếng vật liệu bán dẫn mỏng, phẳng (“chip”), thường là silicon. 

Mạch tích hợp là một phần không thể thiếu của nhiều loại thiết bị điện tử — bao gồm máy tính, điện thoại thông minh và tivi — thực hiện các chức năng như xử lý dữ liệu, điều khiển và lưu trữ. Chúng đã thay đổi lĩnh vực điện tử bằng cách cho phép thu nhỏ thiết bị, cải thiện hiệu suất và giảm chi phí.

Một mạch tích hợp (IC) có thể bao gồm hàng nghìn hoặc thậm chí hàng triệu:

• Bóng bán dẫn
• Điện trở
• Tụ điện
• Điốt

Định nghĩa về mạch tích hợp

Mạch tích hợp là khối xây dựng cơ bản của tất cả các mạch điện tử hiện đại. IC được tạo thành từ một số linh kiện như R, C, L, diode và transistor là linh kiện chủ động, còn tụ điện và điện trở là linh kiện thụ động, và các kết nối của chúng được xây dựng trên một nền vật liệu bán dẫn mỏng, thường là silicon. IC có thể hoạt động như một bộ khuếch đại, bộ dao động, bộ định thời, bộ đếm, cổng logic, vi điều khiển hoặc vi xử lý.

Một ví dụ phổ biến về IC hiện đại là bộ xử lý máy tính, thường chứa hàng triệu hoặc hàng tỷ transistor, tụ điện, cổng logic, v.v., được kết nối với nhau để tạo thành một mạch kỹ thuật số phức tạp. Mặc dù bộ xử lý là một IC, nhưng không phải tất cả IC đều là bộ xử lý. Vì vậy, trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu IC là gì, các loại IC, ưu và nhược điểm của IC, v.v. Nói một cách đơn giản, Mạch Tích hợp là sự tích hợp các linh kiện chủ động (transistor) và linh kiện thụ động (điện trở, tụ điện) vào một chip silicon.

Thiết kế mạch tích hợp

Tùy thuộc vào loại tín hiệu đầu vào, mạch tích hợp có thể được phân loại thành mạch tích hợp tương tự, mạch tích hợp số hoặc mạch hỗn hợp.

Mạch tích hợp số

Chúng còn được gọi là mạch máy tính và mạch hậu cần.

IC được sử dụng làm bộ nhớ máy tính (như RAM và ROM) và bộ vi xử lý.

Mạch nằm ở vùng trạng thái bật hoặc vùng trạng thái tắt và không nằm ở giữa.

Ví dụ như cổng AND, cổng OR và Flip-Flop.

Mạch tích hợp Analog 

Mạch tương tự, còn được gọi là mạch tuyến tính, là loại mạch có đầu vào biến thiên liên tục  được gọi là tín hiệu analog.

Đầu ra của mạch là một hàm tuyến tính của tín hiệu đầu vào.

Chúng thường được sử dụng trong bộ khuếch đại tần số âm thanh hoặc tần số vô tuyến.

Mạch hỗn hợp 

Đây là sự kết hợp giữa nguyên lý thiết kế mạch tương tự và mạch số.Chúng hoạt động như bộ chuyển đổi số–tương tự (DAC), bộ chuyển đổi tương tự–số (ADC), hoặc IC tạo xung và định thời.

THT- Công nghệ xuyên lỗ

Trong công nghệ này, các linh kiện được hàn xuyên qua các lỗ trên bảng mạch.IC dạng THT có thể dễ dàng sử dụng trên breadboard, thích hợp cho thử nghiệm hoặc mô hình nguyên mẫu.

SMD – Linh kiện gắn bề mặt

Trong công nghệ này, các linh kiện được hàn trực tiếp lên bề mặt bảng mạch in (PCB). IC dạng SMD có kích thước nhỏ hơn nhiều so với IC THT, được thiết kế để phù hợp với quy trình sản xuất tự động bằng máy.

Mạch tích hợp tuyến tính

Đây là loại mạch có mối quan hệ tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra, thường được sử dụng trong các bộ khuếch đại thuật toán.

Xây dựng mạch tích hợp

Đầu tiên, chất bán dẫn loại N được sử dụng và quy trình quang khắc được áp dụng. Trong kỹ thuật này, một lớp cách điện silicon dioxide được phủ lên trên, sau đó một lớp vật liệu quang trở mỏng được đặt lên trên So2. Sau khi hoàn tất việc che phủ, bức xạ UV được chiếu vào. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật liệu quang trở, nó trở nên cứng và không xảy ra phản ứng hóa học nào.

Tiếp theo, silicon dioxide được loại bỏ bằng một quy trình gọi là khắc. Cuối cùng, các tạp chất cần thiết được thêm vào. Quy trình này được thực hiện nhiều lần để đạt được các hình dạng hình học khác nhau cần thiết để hoàn thiện thiết kế mạch chip. Kết nối bên trong giữa các linh kiện được thực hiện bằng cách cho hơi nhôm đi qua, sau đó chip được bao bọc trong một vỏ nhựa bảo vệ.

Cuối cùng, với sự trợ giúp của các dây dẫn nhôm mỏng, các đầu nối được tháo ra và đây là cách sản xuất gói IC tiêu chuẩn, và IC được sử dụng trong quy trình sản xuất cụ thể này là IC nguyên khối.

Chức năng của Mạch Tích hợp

Chức năng chính của mạch tích hợp là có thể thực hiện các tác vụ cấp cao như khuếch đại, xử lý tín hiệu và truyền thông kỹ thuật số, v.v., chức năng của IC là giảm chi phí, thu nhỏ kích thước và nâng cao hiệu suất cũng như hiệu năng so với tất cả các mạch khác.

Về mặt giảm chi phí, IC cung cấp một giải pháp thay thế rẻ hơn cho việc yêu cầu một lượng lớn linh kiện bán dẫn và linh kiện điện được gắn trên bảng mạch thông qua hàn.

Chức năng nâng cao hiệu suất và hiệu năng trong IC được thực hiện bằng cách triển khai các mạng mạch phức tạp. Ví dụ, khi card âm thanh trong PC mới ra mắt, các nhà sản xuất đã quyết định xây dựng các mạch tích hợp quy mô trung bình (MSI) hỗ trợ các yếu tố âm thanh hệ thống và các ứng dụng, và chức năng nâng cao hiệu suất chính là tối ưu hóa công suất thấp, từ đó mang lại hiệu suất cao.

Đặc điểm của mạch tích hợp

Dưới đây là các đặc điểm của mạch tích hợp:

Cấu tạo và đóng gói: IC được chế tạo bằng các linh kiện như silicon. Các dây dẫn vàng và nhôm nhỏ kết nối các linh kiện. Các dây dẫn và linh kiện này được đúc thành một khối phẳng bằng nhựa hoặc gốm. Khối rắn chắc này giúp chip không bị quá nhiệt và giữ mát.

Kích thước của IC: Kích thước của chip IC nằm trong khoảng từ 1 mm vuông đến hơn 200 mm.

Tích hợp của IC: Chip tích hợp là chip được kết hợp nhiều chip lại với nhau thành một chip. Ví dụ về chip tích hợp là vi điều khiển, tích hợp bộ vi xử lý, bộ nhớ và giao diện thành một khối duy nhất.

Ưu điểm và nhược điểm của mạch tích hợp

Ưu điểm

Ưu điểm của mạch tích hợp bao gồm:

• Kích thước nhỏ.
• Tiêu thụ điện năng ít hơn.
• Xử lý hàng loạt giúp giảm chi phí.
• Cải thiện độ tin cậy của hệ thống
• Nhẹ hơn.
• Độ ổn định cao hơn.
• Hoạt động ở nhiệt độ cao.
• Hiệu suất hoạt động tốt hơn.

Nhược điểm

Nhược điểm của mạch tích hợp bao gồm:

• Rất tinh vi.
• Công suất tiêu thụ bị giới hạn ở mức 10 watt.
• Không thể chế tạo các chỉ thị/cuộn dây.
• Không thể đạt được hệ số nhiệt độ thấp.
• Chỉ xử lý được một lượng điện năng hạn chế.
• Không thể hoạt động ở điện áp cao.

Ứng dụng của Mạch Tích hợp

Cổng Logic: Cổng logic được chế tạo bằng IC. Nó tạo ra đầu ra dựa trên các tín hiệu đầu vào.

Bộ định thời: mạch tích hợp thời gian được sử dụng để tạo ra chu kỳ định thời với chu kỳ làm việc 100% hoặc 50%.

Bộ khuếch đại thuật toán: Mạch tích hợp khuếch đại thuật toán được sử dụng để tạo ra bộ khuếch đại điện áp có độ lợi cao.

Bộ ổn áp: Mạch tích hợp ổn áp được sử dụng để tạo ra đầu ra DC không đổi.

Xu hướng mạch tích hợp

Mạch tích hợp là trái tim của công nghệ hiện đại. Khi nhìn về tương lai, một số chỉ báo và xu hướng đang bắt đầu xuất hiện. Đầu tiên, việc thu nhỏ IC dự kiến ​​sẽ phát triển, thường được gọi là định luật Moore, nói rằng kích thước của bóng bán dẫn trên bất kỳ chip nào sẽ giảm một nửa sau khoảng hai năm.

Thứ hai, việc tích hợp mạch tích hợp với Trí tuệ Nhân tạo (AI) ngày càng phổ biến, nghĩa là AI có khả năng cách mạng hóa hoạt động và chức năng của mạch tích hợp, từ đó có thể cải thiện hiệu suất và hiệu suất.

Thứ ba, các thiết bị thông minh ngày nay được kết nối với nhau, tạo điều kiện cho sự phát triển của Internet vạn vật (IoT) làm tăng nhu cầu về mạch tích hợp.