Chất bán dẫn là nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại.
Từ điện thoại thông minh đến máy tính, tấm pin mặt trời, đèn LED, chất bán dẫn là thành phần thiết yếu trong hầu hết thiết bị điện tử chúng ta sử dụng ngày nay. Chúng giúp các thiết bị có thể thực hiện các phép tính phức tạp và lưu trữ dữ liệu, đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp.
Nguồn gốc của ngành công nghiệp bán dẫn bắt nguồn từ thế kỷ 18.
Nhà vật lý nổi tiếng người Ý Alessandro Volta (1745 - 1827) là người đầu tiên dùng thuật ngữ “chất bán dẫn” vào năm 1782. Nhiều năm sau, các nhà khoa học khác tiếp tục đóng góp vào phát triển lĩnh vực bán dẫn. Năm 1821, nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck (1770 - 1831) nhận thấy hiệu ứng bán dẫn. Năm 1874, kỹ sư điện người Đức Karl Braun (1850 - 1918) lần đầu tiên báo cáo về hiệu ứng diode bán dẫn.
Chất bán dẫn đầu tiên được tạo ra vào năm 1947.
Các nhà vật lý, kĩ sư điện người Mỹ Walter Houser Brattain (1902 - 1987), John Bardeen (1908 - 1991) và William Bradford Shockley (1910 - 1989) đã phát triển bóng bán dẫn (transistor) hiện đại đầu tiên, tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1947. Bước đột phá này đặt nền móng cho công nghệ bán dẫn hiện đại. Cả ba người cùng đoạt chung Giải Nobel Vật lý năm 1956 cho công trình phát minh này.
Đài bán dẫn đầu tiên được giới thiệu vào năm 1954.
Sự phát triển của bóng bán dẫn đã mở đường cho các thiết bị điện tử cầm tay. Mô hình đầu tiên của đài bán dẫn được giới thiệu vào ngày 18/10/1954, chứa 4 bóng bán dẫn, do Texas Instruments (Mỹ) sản xuất. Với đài bán dẫn xách tay, có nghĩa là con người có thể nghe nhạc và tin tức ở bất cứ đâu.
Việc phát minh mạch tích hợp đã cách mạng hóa ngành công nghiệp bán dẫn.
Jack Kilby của Texas Instruments, đã đi tiên phong trong việc chế tạo mạch tích hợp (IC) đầu tiên vào năm 1954. Bước đột phá này cho phép phát triển nhiều bóng bán dẫn và các linh kiện điện tử khác trên một con chip, dẫn đến việc thu nhỏ các thiết bị điện tử.
Chất bán dẫn được chế tạo trên vật liệu bán dẫn.
Chất bán dẫn được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, tức là vật liệu có thể dẫn điện trong những điều kiện nhất định và cách điện trong những điều kiện khác, khiến chúng trở nên lý tưởng để kiểm soát dòng điện. Chất bán dẫn có thể hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng.
Silicon là vật liệu bán dẫn sử dụng phổ biến nhất.
Do tính chất điện tử thuận lợi, silicon là vật liệu chủ yếu được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, silicon là một chất bán dẫn sáng bóng cùng ánh kim loại màu xanh xám. Silicon là nguyên tố phong phú thứ hai trong vỏ trái đất (chỉ sau oxy). Ngoài silicon, các nhà nghiên cứu đang khám phá các vật liệu khác cho chất bán dẫn, chẳng hạn như graphene, gallium arsenide và perovskite. Những vật liệu này có các đặc tính độc đáo có thể cách mạng hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử.
Chất bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ.
Độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiệt độ. Nhiệt độ tăng có thể làm tăng cường hoặc cản trở dòng điện, tùy thuộc vào loại chất bán dẫn. Silicon là một chất bán dẫn điển hình, điện trở suất của nó giảm khi nhiệt độ tăng.
Chip bán dẫn.
Chip (vi mạch) bán dẫn là cấu trúc phức tạp được tạo thành từ việc tích hợp hàng triệu, thậm chí hàng tỉ bóng bán dẫn và các thành phần khác trên một tấm bán dẫn, thường là silic. Bằng cách tích hợp nhiều thành phần nhỏ hơn và đóng gói chúng lại với nhau, khả năng xử lý của chip ngày càng mạnh mẽ hơn.
Chip bán dẫn cực kỳ nhỏ, thường được đo bằng nanomet.
Những con chip cao cấp nhất hiện nay có thể chỉ nhỏ tới 7nm, nhỏ hơn gần 10.000 lần so với chiều rộng của một sợi tóc người. Thông báo gần đây của IBM trụ sở tại Mỹ cho biết, đã chế tạo thành công vi mạch có kích thước 2 nanomet, là loại vi mạch nhỏ nhất và mạnh nhất thế giới tính đến nay.
Những ứng dụng của chip bán dẫn.
Có rất nhiều loại chip được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Một số loại chip phổ biến thường gặp là:
● Chip xử lý: Sử dụng trong các thiết bị điện tử, như máy tính, điện thoại di động, máy chơi game, tivi thông minh.
● Chip đồ họa: Sử dụng trong máy tính, điện thoại di động, máy chơi game.
● Chip bán dẫn mạng: Dành cho thiết bị mạng như bộ định tuyến và máy chủ.
● Chip bộ nhớ: Lưu trữ dữ liệu trong các thiết bị điện tử, bao gồm RAM (random access memory), ROM (read only memory), flash memory...
● Chip cảm biến: Dành cho các loại cảm biến ánh sáng, cảm biến định vị, cảm biến nhiệt, cảm biến gia tốc,…
● Chip điều khiển: Sử dụng trong các hệ thống tự động như điều hòa không khí, an ninh giám sát,…
Chất bán dẫn rất quan trọng đối với công nghệ năng lượng tái tạo.
Chất bán dẫn thể hiện tính chất quang học độc đáo. Tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc của chúng, chất bán dẫn có thể phát ra, hấp thụ hoặc truyền ánh sáng. Đặc tính này là nền tảng cho hoạt động của các thiết bị như laser, diode quang. Đặc biệt, tấm pin mặt trời, công cụ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, phụ thuộc rất nhiều vào chất bán dẫn. Chúng là nền tảng của hệ thống quang điện, cho phép tạo ra năng lượng sạch và bền vững.
