Ngành công nghiệp bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn và linh kiện bán dẫn là gì?

Thuật ngữ “bán dẫn” được A. Volta sử dụng lần đầu tiên vào năm 1782. Chất bán dẫn là chất không dẫn điện như kim loại mà cũng không cách điện như điện môi. Nó có những tính chất vật lý đặc biệt. Quan sát được ghi nhận đầu tiên về tính chất bán dẫn là của Michael Faraday (năm 1833) khi đo độ dẫn điện của Ag₂S và thấy độ dẫn điện của chất này tăng theo nhiệt độ, ngược với độ dẫn điện của kim loại là giảm xuống khi nhiệt độ tăng. Ngoài tính chất đó, bán đẫn còn có nhiều tính vật lý thú vị khác, có thể dùng làm nhiều việc. Về sau nhân loại phát hiện ra rất nhiều vật liệu, đơn chất và hợp chất, vô cơ và hữu cơ, có tính chất tương tự và xếp chúng vào họ chất bán dẫn.

Nói một cách "nôm na" thì ta đều biết vật chất là do các nguyên tử hợp lại, nguyên tử cấu tạo bởi hạt nhân ở giữa tích điện dương (+) và đám mây các điện tử tích điện âm (-) quay xung quanh. Dẫn điện là do có điện tích tự do chạy. Điện tích thì có điện tích âm và dương.

Trong kim loại, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có một số điện tử bứt khỏi hạt nhân thành điện tử tự do, không bị cấm đoán nào cả, ta gọi là vùng cấm (Band Gap, ký hiệu E_g) bằng không (tức E_g= Zero=0) và vì thế nó luôn là dẫn điện bằng điện tử điện tích âm. Chất bán dẫn là chất mà trong nó có một ít điện tử muốn dứt ra khỏi hạt nhân thì phải có một năng lượng đủ để vượt qua vùng cấm lớn hơn Zero (Band Gap E_g>0). Do đó ta có loại bán dẫn mà vùng cấm E_g tương ứng với năng lượng ánh sáng từ màu tím xuống đến hồng ngoại gần, điển hình và được sử dụng nhiều nhất là Ge, Si, A3B5, A2B6… gọi là Bán dẫn thông thường.

Cũng có loại bán dẫn mà E_g lớn hơn, tương ứng với ánh sáng ở vùng tử ngoại thấp đến tử ngoại cao… gọi là bán dẫn vùng cấm rộng (WBG-Wide Band Gap). Trong các chất bán dẫn, bằng cách pha tạp chất thì có thể biến nó có thêm nhiều điện tử dễ tự do, khi đã vượt qua vùng cấm thì điện tử có thể di chuyển, ta có sự dẫn điện bằng điện tử điện tích âm, gọi là bán dẫn loại N (Negative=âm).

Khi điện tử này vì lý do nào đó bị bắt chặt (chẳng hạn do tạp chất) thì để lại một lỗ trống mang điện tích dương cũng chuyển động được như một giả hạt điện tích dương (+) chạy, ta gọi là Bán dẫn loại P (Positive= dương). Loại vật chất thứ 3, như các oxide chẳng hạn, thì có vùng cấm E_g vô cùng lớn, thà nóng đến tan chảy cũng không cho điện tử dứt ra, không thể dẫn điện được, gọi là Điện môi (Isolator). Hầu như các ứng dụng hiện tại của linh kiện bán dẫn là dựa trên những hiệu ứng kỳ diệu của lớp tiếp xúc giữa bán dẫn loại P với N (Bipolar = lưỡng cực), giữa Bán dẫn với kim loại (MS: Metal-Semiconductor) và giữa 3 lớp kim loại – Oxide-Bán dẫn (MOS: Metal-Oxide-Semiconductor).

Bóng Transistor bán dẫn bằng Germanium đầu tiên do William Shockley, Walter Brattain và John Bardeen của Bell Labs (Hoa Kỳ) phát minh năm 1947 (Nobel 1956). Tuy vậy, cha đẻ của Transistor cùng cộng sự rời bỏ Bell Labs về California lập Công ty Shockley’s Transistor thì phá sản, chỉ thành công với tư cách là hạt giống đầu tiên nảy mầm ra Silicon Valley ngày nay.

Năm 1954, Texas Instruments cho ra đời Transistor bằng Silicon đầu tiên, tốt và ổn định hơn Ge nhiều. Akio Morita – nhà sáng lập Sony đã là người đầu tiên sử dụng bóng bán dẫn làm đài radio bỏ túi. Năm 1970, Intel sử dụng bóng bán dẫn tạo ra DRAM bộ nhớ động đầu tiên, mở đầu kỷ nguyên lưu trữ bán dẫn. IC được kỹ sư người Đức Werner Jacobi tìm ra năm 1949 khi chế tạo một thiết bị khuếch đại giống với một mạch tích hợp, trong đó có 5 transistors Ge và được phát triển thành thiết bị trợ thính.

Sau đó 10 năm, Jack Kilby (Hoa Kỳ) đã cho ra mắt chip IC (vi mạch) đầu tiên của thế giới (Nobel 2000). Với nguyên liệu từ Silicon, vi mạch này mau chóng vượt qua mạch tích hợp trước đây, đánh dấu bước tiến lớn về vật lý. Sản phẩm bán dẫn ngày nay chủ yếu được sản xuất từ tấm silicon, nhưng cũng có một phần được làm từ GaAs (gali arsenide), SiC (silicon cacbide) và GaN (gali nitrit), tùy mục đích sử dụng nhất định. Sản xuất chất bán dẫn đòi hỏi nhiều loại hóa chất, khí và thiết bị sản xuất khác nhau.

Linh kiện bán dẫn được dùng nhiều nhất là MOSFET (transistor hiệu ứng trường kim loại-oxit bán dẫn, hay transistor MOS), được phát minh bởi 2 kỹ sư người Mỹ là Dawon Kahng và Mohamed M. Atalla tại Phòng thí nghiệm Bell năm 1959. Thang tỷ lệ MOSFET và tiểu hình hóa vẫn luôn là nhân tố căn bản đứng sau sự gia tăng mau chóng theo cấp số mũ của công nghệ bán dẫn kể từ thập niên 1960. Chiếc MOSFET; vốn chiếm đến 99,9% tất cả các transistor; chính là động lực đằng sau ngành công nghiệp bán dẫn và là linh kiện được chế tạo số lượng lớn nhất lịch sử, với tổng cộng ước tính là 13 ngàn mũ 7 (1,3 × 10²²) chiếc MOSFET được sản xuất ra trong giai đoạn từ 1960-2018.

Công nghiệp bán dẫn là gì?

Ngành công nghiệp bán dẫn là tập hợp các công ty tham gia vào lĩnh vực thiết kế và chế tạo chất bán dẫn. Ngành công nghiệp này hình thành vào khoảng năm 1960, ngay khi lĩnh vực chế tạo linh kiện bán dẫn trở thành ngành kinh doanh có thể phát triển và tồn tại độc lập. Từ đó, doanh thu hàng năm của công nghiệp bán dẫn đã tăng lên đến trên 481 tỷ USH, tính đến năm 2018. 

Theo cách hiểu khác; công nghiệp bán dẫn là động lực phía sau cả một ngành công nghiệp điện tử rộng lớn hơn; với doanh thu thường niên của mảng điện tử công suất là 216 tỷ USD tính đến năm 2011; doanh số điện tử tiêu dùng được kỳ vọng đạt mức 2,9.000 tỷ USD vào năm 2020; doanh số mảng công nghệ được kỳ vọng ở mức 5000 tỷ USD năm 2019, và mảng thương mại điện tử với trên 29.000 tỷ USD vào năm 2017.

Các doanh nghiệp lớn nhất trên thế giới về ngành bán dẫn có thể kể đến như Samsung, Nvidia, Intel, TSMC, Broadcom, Toshiba, Qualcomm, TI, SK Hynix....

Ngành công nghiệp bán dẫn đã sẵn sàng cho sự tăng trưởng đáng kể trong thời đại 4.0. Những biến đổi công nghệ như không dây 5G, AI, Internet vạn vật, đám mây và học máy đang thúc đẩy nhu cầu dài hạn cho ngành công nghiệp chip. Nguồn tài trợ và ưu đãi ngày càng tăng của chính phủ vẫn là chìa khóa cho sự tăng trưởng vượt bậc của nó trong tương lai.

Tầm quan trọng của chất bán dẫn trong lĩnh vực công nghệ

Chất bán dẫn dùng để chế tạo các transistor trong chip điện tử, chế tạo linh kiện trong điện thoại, máy vi tính, ô tô, máy bay,... Hiện nay, chất bán dẫn phổ biến nhất là Silicon (Si) vì giá rẻ và dễ tinh chế. VD: Silicon được sử dụng làm Exynos Silicon, Apple Silicon M1…

Có rất nhiều người lầm tưởng về Silicone và Silicon là một. Song, chúng khác nhau. Silicon là chất tự nhiên có tính bán dẫn, còn Silicone là một Polymer được tổng hợp và làm từ Silicon, Oxygen và những nguyên tố hóa học khác, thường được dùng nhiều nhất là Carbon và Hydrogen.

Silicon là chất bán dẫn lý tưởng cho việc dẫn điện, chiếm vị thế vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay vì với cấu tạo hoàn hảo của mình. Ngược lại, Silicone thường là chất lỏng hoặc chất dẻo tương tự cao su nên nó là một chất cách điện cực tốt.

Chất bán dẫn cho phép dòng điện chạy qua đồng thời hoạt động như chất cách điện nên nó phù hợp để ứng dụng trong việc điều khiển dòng điện. Chip điện tử hoạt động dựa vào cơ chế tắt, bật để tạo ra tín hiệu, do đó chất bán dẫn thích hợp để tạo ra chip điện tử do có thể điều khiển dòng diện tắt, bật đúng lúc.

Chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong sản xuất thiết bị và linh kiện điện tử. VD: chất bán dẫn dùng để làm nhiều sản phẩm tiêu dùng kỹ thuật số như smartphone, máy ảnh, tivi, tủ lạnh, máy giặt và bóng đèn LED, bộ vi xử lý của máy tính CPU,…