Vi mạch

Vi mạch (tiếng Anh: microchip) hay vi mạch tích hợp, hoặc mạch tích hợp (tiếng Anh: integrated circuit, gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) là tập các mạch điện chứa các linh kiện bán dẫn (như transistor) và linh kiện điện tử thụ động (như điện trở) được kết nối với nhau, để thực hiện được một chức năng xác định. Tức là mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp.

Các linh kiện kích thước cỡ micrometre (hoặc nhỏ hơn) được chế tạo bằng công nghệ silic

Mạch tích hợp giúp giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều, bên cạnh đó là độ chính xác tăng lên. IC là một phần rất quan trọng của các mạch logic. Có hai loại IC chính gồm lập trình được và cố định chức năng, không lập trình được. Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công suất làm việc, được ghi trong bảng thông tin (datasheet) của nhà sản xuất.

Hiện nay, công nghệ silicon đang đối mặt với những giới hạn của vi mạch tích hợp và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một loại vật liệu mới có thể thay thế công nghệ này.

Lịch sử

Lịch sử phát triển của mạch tích hợp 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 giống như mạch tích hợp, có 5 transistor trên một bề mặt chung cho bộ khuếch đại 3 tầng, làm dụng cụ trợ thính.

Ngày 12 tháng 9 năm 1958, người Mỹ Jack Kilby ở Texas Instruments trình bày vi mạch đầu tiên. Kilby sau đó giành được giải thưởng Nobel Vật lý năm 2000.

Nửa năm sau sự kiện của Kilby, Robert Noyce ở Fairchild Semiconductor phát triển ý tưởng riêng về một mạch tích hợp giải quyết được nhiều vấn đề thực tế mà Kilby không làm được. Thiết kế của Noyce được làm bằng silicon, trong khi chip của Kilby làm bằng germanium. Noyce chia sẻ thông tin với Kurt Lehovec ở Sprague Electric 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), là một khái niệm quan trọng về IC.

Fairchild Semiconductor cũng là quê hương của công nghệ vi mạch silicon-gate đầu tiên với cổng tự liên kết (self-aligned gate), cơ sở của tất cả các chip CMOS của máy tính hiện đại. Công nghệ này được phát triển bởi nhà vật lý người Ý Federico Faggin vào năm 1968, người sau đó đã gia nhập Intel và phát triển các đơn chip Central Processing Unit (CPU) (Intel 4004) đầu tiên, và ông nhận Huy chương Quốc gia về Công nghệ và Đổi mới năm 2010.

Phân loại

Phân loại theo tín hiệu được xử lý

Theo xử lý tín hiệu

IC digital xử lý hoặc lưu trữ các tín hiệu digital. IC analog hay IC tuyến tính xử lý tín hiệu analog. IC hỗn hợp, có cả analog và digital.

Phân loại theo cấp độ tích hợp

• IC (Mạch tích hợp), tên chung. Trước đây còn được chia thành SSI (tích hợp quy mô nhỏ) và MSI (tích hợp quy mô trung bình)
• LSI (Tích hợp quy mô lớn)
• VLSI (Tích hợp quy mô rất lớn) - Bao gồm CPU, GPU, ROM, RAM, PLA, chipset, vi điều khiển,...
• ULSI (Tích hợp siêu lớn) được dự đoán cho các mạch với hơn 1 triệu transistor.

Phân loại theo công nghệ

Theo công nghệ

• Đồng mảnh: Tất cả các thành phần được đặt trên một miếng nền vật liệu bán dẫn đơn tinh thể. Các linh kiện bán dẫn được tạo ra bằng phương pháp doping (thêm chất phụ gia), và lớp mỏng tạo thành các lớp dẫn, điện trở, tụ điện, lớp cách điện, cực gate của MOSFET. Ví dụ về công nghệ TTL, CMOS, CCD, BiCMOS, DMOS, BiFET-, transistor đôi cực.
• Mạch màng mỏng hay mạch phim, là những thành phần được tạo ra bằng lắng đọng hơi trên nền thủy tinh. Thường là các mạng điện trở. Chúng có thể được chế tạo bằng cách điều khiển điện tử với độ chính xác cao, và được phủ bảo vệ. Nhóm này bao gồm cả các mạch transistor màng mỏng (TFT), ví dụ trong các ứng dụng màn hình phẳng.
• Đồng mạch màng dày kết hợp nhiều chip, vết mạch in và các đường dây dẫn, linh kiện điện tử bị động (gần như chỉ có điện trở). Nền thường là gốm và thường được nhúng tráng.

Phân loại theo mục đích sử dụng

Theo mục đích sử dụng

• CPU, bộ xử lý trong máy tính.
• Bộ nhớ, thiết bị lưu trữ dữ liệu số
• Thu nhỏ chip trong công nghệ RFID để giám sát (nhận dạng) không tiếp xúc của các đối tượng hoặc các sinh vật sống
• IC logic tiêu chuẩn thuộc nhiều loại logic khác nhau
• ASIC dành cho việc phát triển ứng dụng cụ thể, ví dụ như điều khiển lò nướng, ô tô, máy giặt,...
• ASSP là sản phẩm tiêu chuẩn cho các ứng dụng cụ thể, tương tự như ASIC, nhưng có sẵn từ các nhà sản xuất và không được xây dựng theo yêu cầu của khách hàng
• IC cảm biến quá trình vật lý, hóa học, sinh học,... ví dụ như gia tốc, ánh sáng, từ trường, chất độc,...
• DSP (Xử lý tín hiệu số) xử lý tín hiệu số
• ADC và DAC, chuyển đổi tín hiệu analog ←→ digital
• FPGA (Mảng cổng có thể lập trình) được cấu hình bởi các IC số của khách hàng, bao gồm nhiều đơn vị chức năng có thể kết nối với nhau
• Vi điều khiển (vi điều khiển) chứa tất cả các bộ phận của một máy tính nhỏ (bộ nhớ chương trình, ALU, bộ nhớ và thanh ghi)
• IC công suất có thể xử lý dòng điện hoặc điện áp lớn (ví dụ như khuếch đại công suất lớn, điều khiển mạng lưới điện)
• Hệ thống trên một chip (SoC) là hệ thống được tích hợp trong một chip.