TIỂU LUẬN Đề tài Tìm hiểu về logic gate NAND và công nghệ CMOS

lOMoARcPSD|11346942

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

------

TIỂU LUẬN
Đề tài: Tìm hiểu về logic gate NAND và công
nghệ CMOS
Giảng viên hướng dẫn: Đào Đức Thịnh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chí Thành – MSSV :20212971
Lớp : 127684

Năm học2021-2022
Hà Nội, 22-2-2022


lOMoARcPSD|11346942

Mục lục
Phần mở đầu ……………………………………… 3
1. Lý do chọn đề tài ……………………………………………… 3
2. Mục đích nghiên cứu ………………………………………….. 3
3. Phương pháp nghiên cứu ……………………………………… 3

Phần nội dung …………………………………….. 4
A. Cổng logic NAND ……………………………………. 4
I. Giới thiệu chung về cổng logic ……………………………….. 4
II. Cổng logic NAND ……………………………………………. 4

B. Công nghệ CMOS …………………………………… 6

I. Giới thiệu về CMOS …………………………………………... 6
II. Cấu tạo chi tiết ........................................................................... 6
III. Các cổng logic .......................................................................... 9
IV. Quy trình chế tạo .................................................................... 10
V. Ưu điểm và ứng dụng .............................................................. 15

Phần tổng kết ......................................................... 16

Page | 2


lOMoARcPSD|11346942

Phần mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Mỗi mảng kiến thức đều có tầm quan trọng và ứng dụng nhất định, mỗi
người khi chọn cho mình một đề tài nghiên cứu cũng đều xuất phát từ những lý
do nào đó. Do đó khi chọn cho mình đề tài này, tơi cũng xuất phát từ hai lý do
sau:
Thứ nhất, CMOS là một công nghệ rất quan trọng được sử dụng trong lĩnh
vực chế tạo các linh kiện dùng trong lĩnh vực cơng nghệ:
Thư hai, cơng nghệ sản xuất IC cịn rất mới mẻ ở Việt Nam và với cơ sở
vật chất hiện nay, rất khó để xây dựng một ngành chế tạo và sản xuất IC. Tuy
nhiên, đây là ngành công nghệ cơ bản để phát triển ngành công nghiệp điện tử
và bán dẫn. Xu thế của thị trường thế giới hiện nay là tiến tới các sản phẩm
điện tử công nghệ cao có kích thước gọn nhẹ nhưng nhiều chức năng. Vì vậy
thị trường về chip IC tích hợp sẽ tiếp tục tăng trưởng rất mạnh trong thời gian
tới.
Vì thế, tôi quan tâm đến mảng kiến thức mới này dưới góc độ tìm hiểu.

2. Mục đích nghiên cứu
Tiểu luận này tập trung tìm hiểu một số vấn đề về: cổng logic NAND, cấu
tạo, nguyên lý hoạt động, quy trình chế tạo và ứng dụng của công nghệ CMOS.

3. Phương pháp nghiên cứu
Tiểu luận chủ yếu sử dụng phương pháp phân tích – tổng hợp qua những
nguồn thơng tin mạng.

Page | 3


lOMoARcPSD|11346942

Phần nội dung
A. Cổng logic NAND
1. Giới thiệu chung về cổng logic
- Trong điện tử học, cổng logic (logic gate) là mạch điện thực hiện một hàm Boole lý tưởng
hóa. Có nghĩa là, nó thực hiện một phép tốn logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào, và tạo
ra một kết quả logic ra duy nhất, với thời gian thực hiện lý tưởng hóa là khơng có trễ.
- Gọi A và B là biến số nhị phân có mức logic la 0 và 1, và Y là một biến số tùy thuộc vào A,
B .Vậy Y = f(A, B).
- Vì biến số A, B chỉ có thể là 0 hoặc 1 nên A và B chỉ có thể tạo ra 4 tổ hợp khác nhau là
A
0
0
1
1

B
0

1
0
1

A

Mạch

Y

B

- Bảng liệt kê tất cả các tổ hợp khả dĩ của các biến số và hàm số tương ứng gọi là bảng chân lý.
Khi có ba hay nhiều biến số (A, B, C), số lượng hàm số khả dĩ tăng nhanh.
- Mạch thực hiện quan hệ logic
Y = f(A, B)
gọi là mạch logic, trong đó các biến số A, B là các đầu vào và hàm số Y là các đầu ra. Một
mạch logic diễn tả quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra, nghĩa là thực hiện được một hàm
logic. Do đó có bao nhiêu hàm logic hàm số logic thì có bấy nhiêu mạch logic.
- Lưu ý : khi biểu diễn mối quan hệ toán học ta gọi là hàm số logic cịn khi biểu diễn mối quan
hệ về mạch tín hiệu ta gọi là cổng logic.
- Cổng logic là khối xây dựng cơ bản của bất kỳ hệ thống kỹ thuật số nào. Nó là một mạch
điện tử có một hoặc nhiều ngõ vào và chỉ có một ngõ ra. Mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra
dựa trên một logic nhất định. Dựa trên điều này, các cổng logic được đặt tên là cổng AND,
cổng OR, cổng NOT, v.v. .
- Cổng logic có thể được chế tạo bằng các cơng nghệ khác nhau (lưỡng cực, MOS), có thể
được tổ hợp bằng các linh kiện rời nhưng thường được chế tạo bởi các cơng nghệ tích hợp IC
(Intergrated circuit). Cổng logic được sử dụng trong vi xử lý, vi điều khiển, các ứng dụng hệ
thống nhúng và trong các mạch điện và điện tử.

2. Cổng logic NAND
a.Tổng quan
- Cổng NAND là kết hợp của cổng AND và cổng NOT. Ngõ ra của cổng NAND là đảo với
ngõ ra cổng AND.

Page | 4


lOMoARcPSD|11346942

- Trong điện tử kỹ thuật số, cổng NAND ( NOT-AND ) là cổng logic tạo ra đầu ra chỉ sai nếu
tất cả các đầu vào của nó là đúng; do đó đầu ra của nó là phần bù cho cổng AND.
- Ký hiệu:

- Bảng giá trị chân lý:

- Biểu thức của A NAND B là :

Q=

b. Cấu tạo
- Cấu tạo của cổng logic NAND bao gồm 2 đầu vào A và B, một đầu ra là tỷ lệ nghịch của
tích A, B . Khơng giống với các cổng logic khác, cổng logic NAND có tới 3 Diode, 2 điện
trở và 1 transitor.

cấu tạo của cổng logic NAND

c. Nguyên lý hoạt động
Page | 5

lOMoARcPSD|11346942

- Trường hợp 1: Diode 1 và Diode 2 đều có điện áp ở mức 1 thì tương ứng với 2 Diode sẽ
phân cực nghịch còn một Diode nữa sẽ có chức năng dẫn dịng từ nguồn vào Baze. Từ đó
làm cho BJT phân cực thuận. Cho nên kết quả tại đầu ra sẽ khơng có điện áp (0V).
- Trường hợp 2: Cả Diode 1 và 2 đều bằng 0. Khi đó, cả hai Diode này đều khơng phân cực.
Suy ra khơng có dịng điện qua Diode 3 và điện áp đầu ra ở mức 1.
- Trường hợp 3: Diode 1 bằng 5V và Diode 2 bằng 0V. Khi đó, chỉ có Diode 1 là phân cực
nhưng vẫn khơng có dòng điện qua Diode 3 và kết quả là điện áp đầu ra ở mức 1.
- Trường hợp 4: Ngược lại với trường hợp trên, Diode 1 bằng 0V và Diode 2 bằng 5V, cũng
chỉ có Diode 2 là phân cực cịn Diode 1 thì khơng. Do đó, cũng khơng có dịng điện qua
Diode 3 và đương nhiện điện áp đầu ra ở mức 1.
 Tóm lại, chỉ trong trường hợp cả hai Diode đều ở mức 1 thì điện áp cho ra mới bằng 0
còn trong tất cả các trường hợp còn lại đều cho cùng một kết quả điện áp đầu ra ở mức 1.

B. Công nghệ CMOS
I. Giới thiệu về CMOS
- CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor" trong tiếng Anh, là
thuật ngữ chỉ một loại công nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp. Cơng nghệ CMOS được
dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các mạch lơgíc số khác.
- Cơng nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như cảm biến hình
ảnh, chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp cao trong lĩnh vực
thơng tin.
- Trong tên gọi của vi mạch này, thuật ngữ tiếng Anh "complementary" ("bù"), ám chỉ việc
thiết kế các hàm lơgíc trong các vi mạch CMOS sử dụng cả hai
loạitransistor PMOS và NMOS và tại mỗi thời điểm chỉ có một loại transistor nằm ở trạng
thái đóng (ON).

II. Cấu tạo chi tiết

CMOS (Complementary MOS) có cấu tạo kết hợp cả PMOS và NMOS trong cùng 1
mạch nhờ đó tận dụng được các thế mạnh của cả 2 loại, nói chung là nhanh hơn đồng
thời mất mát năng lượng còn thấp hơn khi dùng rời từng loại một. Cấu tạo cơ bản nhất
của CMOS cũng là một cổng NOT gồm một transistor NMOS và một transistor PMOS

Page | 6


lOMoARcPSD|11346942

1. Transistor NMOS
- Có bốn cực: cổng (gate), nguồn (source), máng (drain), nền (body)
- Cực cổng – lớp oxide – cực nền tương đương với mô ̣t transistor
 Cực cổng và cực nền là hai mă ̣t dẫn


SiO2 (oxide) là lớp cách điê ̣n tốt



Do đó ta gọi là tụ bán dẫn – oxide – kim loại (metal – oxide – semiconductor (MOS)
capacitor)



Cực cổng có thể chế tạo bằng kim loại hoặc chế tạo bằng Polysilicon

ằng kim loại hoặc chế tạo bằng Polysilicon

2. Transistor PMOS

- Cấu trúc gồm nền (Substrate) Silic loại n, hai vùng khuếch tán loại (p+) gọi là nguồn
(Source) và máng (Drain). Giữa nguồn và máng là một vùng hẹp nền n gọi là kênh,
được phủ một lớp cách điện (SiO2) gọi là cổng oxit.

Page | 7


lOMoARcPSD|11346942

3. Nguyên lý hoạt động
Cực nền được nối với ground
- Khi cực cổng ở mức điêṇ áp thấp:


Cực nền loại P cũng ở mức điê ̣n áp thấp



Chưa hình thành kênh dẫn



Khơng có dịng qua transistor: OFF

- Khi cực cổng ở mức điện áp cao


Tụ MOS được nạp điê ̣n dương ở cực cổng



Ở cực nền mang điê ̣n tích âm



Làm cho kênh dẫn ở phía dưới cực cổng thành loại n



Dòng điê ̣n chạy trong bán dẫn loại n từ nguồn đến máng, transistor ON

Page | 8


lOMoARcPSD|11346942



Cực nền nối với điêṇ áp mức cao (VDD)



Cực cổng ở mức thấp: transistor ON



Cực cổng ở mức cao: transistor OFF



Dấu trịn trong ký hiêụ biểu thị tính chất đảo ngược

III. Các cổng logic
1. Cổng đảo
A
1
0

Y
0
1

2. Cổng NAND
A

B

Y

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Page | 9


lOMoARcPSD|11346942

3. Cổng NOR
A
0
0
1
1

B
0
1
0
1

Y
1
1
1
0

IV. Quy trình chế tạo
Bắt đầu với một miếng bán dẫn thô . Chế tạo cổng đảo từ phần đáy lên

1. Tạo lớp bán dẫn giàu n
 Phủ lên miếng bán dẫn mô ̣t lớp SiO2 (oxide)
 Bỏ đi lớp oxide ở nơi cần tạo bán dẫn giàu n
 Đưa trực tiếp hoă ̣c khuếch tán chất kích tạp loại n vào lớp bán dẫn lô ̣ ra


Phủ SiO2

2. Tạo lớp SiO2 trên bề mă ̣t miếng bán dẫn Si
- 900 – 1200°C với H2O hoă ̣c O2 trong lị oxy hố

Page | 10


lOMoARcPSD|11346942

3. Kéo một lớp quang trở
 Quang trở là mô ̣t polymer nhạy sáng
 Mềm đi khi phơi ra trước ánh sáng

4. In khắc



Mở lớp quang trở ở vị trí của mă ̣t nạ n-well
Cắt bỏ lớp quang trở ở vị trí này




Khắc oxide bằng hydrofluoric acid (HF)
Chỉ khắc lớp oxide khi lớp quang trở đã lô ̣ ra

5. Cắt bỏ lớp quang trở còn lại


Dùng hỗn hợp acid gọi là phương pháp khắc piranah
Bước này cần thiết để lớp quang trở không bị chảy trong bước tiếp theo

Page | 11


lOMoARcPSD|11346942

6. n-well tạo bởi sự khuếch tán hoặc tiêm ion








Khếch tán

Đă ̣t miếng bán dẫn trong lò gas arsen
Nung đến khi các nguyên tử As khuếch tán vào Si
Tiêm ion
Thổi vào bán dẫn các chùm ion As
Các ion bị chă ̣n bởi SiO2, chỉ đi vào những chỗ Si bị lơ ̣ ra

7. Cắt bỏ lớp oxide cịn lại dùng HF



Trở lại miếng bán dẫn gốc với mô ̣t lớp n-well
Các bước tiếp theo cũng gồm mô ̣t chuỗi các bước tương tự như các bước trên

8. Silicon đa tinh thể (Polysilicon)
 Trám mô ̣t lớp rất mỏng gate oxide (< 20 Å (6-7 lớp nguyên tử))
Quá trình trám bằng hơi hoá học (Chemical Vapor Deposition - CVD) trên lớp silicon
- Đă ̣t miếng bán dẫn trong lò gas Silane (SiH4)
- Hình thành nhiều tinh thể nhỏ gọi là polysilicon
- Được kích tạp mạnh để tạo vâ ̣t dẫn tốt

9. Tạo mẫu polysilicon


Sử dụng quy trình in khắc như trên để tạo các mẫu polysilicon như hình ve

Page | 12

Downloaded by Quang Tr?n ()


lOMoARcPSD|11346942

10. Quy trình self-aligned



Dùng oxide và phương pháp mă ̣t nạ để lơ ̣ ra các vùng chất kích tạp n+ cần được
khuếch tán hay tiêm vào
N-diffusion (vùng khuếch tán N) tạo thành các cực nguồn, máng của transistor
nMOS và tiếp xúc n-well






N-diffusion
Khắc oxide để tạo các vung n+
Thực hiê ̣n quy trình self-aligned trong đó cổng sẽ ngăn chă ̣n sự khuếch tán
Polysilicon tốt hơn kim loại trong quá trình self-aligned vì nó khơng bị chảy trong các xư
lý tiếp theo





Trước đây các chất kích tạp được khuếch tán vào Si
Ngày nay thường dùng phương pháp tiêm ion
Tuy nhiên các vùng này vẫn gọi là vùng khuếch tán

11. Cắt bỏ lớp oxide

Page | 13

Downloaded by Quang Tr?n ()


lOMoARcPSD|11346942



Các bước tương tự để tạo các vùng khuếch tán p+ cho nguồn và máng của pMOS
và tiếp xúc nền

12. Nối các linh kiện với nhau



Phủ lên chip mô ̣t trường oxide dày
Khắc oxide tại các chỗ cần tạo tiếp xúc

13. Bọc kim loại



Thổi nhơm lên tồn bơ ̣ miếng bán dẫn

Tạo hình như hình ve để bỏ phần kim loại thừa, chỉ để lại các đoạn nối cần thiết

Page | 14

Downloaded by Quang Tr?n ()


lOMoARcPSD|11346942

V. Ưu điểm và ứng dụng
1. Ưu điểm
- Đầu tiên và được nói đến nhiều nhất là tiêu thụ điện năng – CMOS tiêu thụ ít điện
năng hơn TTL
- Nhờ các yêu cầu dòng nhỏ hơn của chúng, logic CMOS rất tốt để thu nhỏ, với hàng
triệu bóng bán dẫn có thể được đóng gói trong một khu vực nhỏ mà u cầu dịng
khơng cao.
- Họ logic TTL sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực để thực hiện các chức năng logic và
CMOS sử dụng bóng bán dẫn hiệu ứng trường . CMOS thường tiêu thụ ít điện năng
hơn nhiều, mặc dù nhạy hơn TTL. CMOS và TTL không thực sự có thể hốn đổi cho
nhau, và với sự sẵn có của chip CMOS cơng suất thấp, việc sử dụng TTL trong các thiết
kế hiện đại là rất hiếm.
 Khi ưu điểm này ngày càng thể hiện và trở nên quan trọng hơn, quy trình CMOS
và các quy trình biến thể của nó đã trở thành cơng nghệ chủ đạo, chính vì thế cho
đến năm 2006, hầu hết các sản xuất vi mạch tích hợp đều dùng quy trình CMOS.

2. Ứng dụng
- Công nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các cổng
logic khác. Công nghệ CMOS cũng được dùng rất nhiều trong các mạch tương tự như
chuyển đổi kiểu dữ liệu, và các vi mạch thu phát có mật độ tích hợp cao trong lĩnh vực
thông tin

- Công nghệ CMOS cũng được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong cảm biến trong
máy ảnh, máy quay phim, điện thoại, camera kỹ thuật số, PDA…)

Page | 15

Downloaded by Quang Tr?n ()


lOMoARcPSD|11346942

Phần tổng kết
CMOS, viết tắt của "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor"
trong tiếng Anh, là thuật ngữ chỉ một loại công nghệ dùng để chế tạo vi
mạch tích hợp. Cơng nghệ CMOS được dùng để chế tạo vi xử lý, vi điều
khiển, RAM tĩnh và các mạch lơgíc số khác.
Có thể khẳng định, vi mạch đang làm thay đổi cuộc sống xung quanh.
Bạn có thể hình dung, vài năm trước đây, chiếc điện thoại Nokia rất to và
cồng kềnh, nhưng ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vi mạch,
người ta đã làm cho nó ngày càng nhỏ hơn và mang lại nhiều ứng dụng
mạnh me hơn
Theo các chuyên gia, trong quá trình phát triển KH&CN tồn cầu, cơng
nghệ bán dẫn ngày càng chứng minh vai trị quan trọng trong việc góp
phần tạo nên những bước tiến vượt bậc, những tiến bộ của cơng nghệ bán
dẫn đã giúp tối ưu hóa hệ thống, ngày càng thu nhỏ kích thước thiết bị, tiết
kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ mơi trường, đem lại cuộc sống an tồn,
chất lượng.
Trên cơ sở phân tích ngun lý chế tạo siêu vi mạch bán dẫn của các
hãng công nghệ hàng đầu trên thế giới như Intel (Mỹ), Samsung (Hàn
Quốc), TSMC (Đài Loan)…Việt Nam đang đề ra một số giải pháp tiếp cận,

ứng dụng được các kết quả nghiên cứu này cho đời sống dân sinh, đóng
góp vào sự nghiệp bảo vệ an ninh xã hội và toàn vẹn lãnh thổ của Tổ quốc.

Page | 16

Downloaded by Quang Tr?n ()


lOMoARcPSD|11346942

Nguồn tham khảo :
- CMOS – Wikipedia tiếng Việt : />- Tiểu luận môn vi điện tử - đề tài công nghệ CMOS
- Kĩ thuật chế tạo vi mạch ( Trường đại học Công nghệ thông tin – khoa kĩ thuật
máy tính )

Page | 17

Downloaded by Quang Tr?n ()