Vật liệu bán dẫn biến đối không ngừng như thế nào? – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

Vật liệu bán dẫn hoàn toàn có thể được sản xuất từ nguồn silicon giá rẻ và phong phú và đa dạng trên quốc tế cho tới những nguyên tố đất quý và hiếm ( Rare Earth Elements ) đắt tiền. Pin mặt trời, những loại transistor hiệu ứng trường, cảm biến IoT và mạch điện cho xe tự lái đều cần tới vật liệu bán dẫn để hoạt động giải trí .
Ngày nay, với nguồn nguyên vật liệu đa dạng chủng loại, không khó để sản xuất ra được những vật liệu mới dùng trong ngành công nghiệp bán dẫn. thị trường tiêu thụ và ứng dụng mới của vật liệu bán dẫn ngày càng lan rộng ra cũng khiến cho quy trình tiến độ sản xuất và việc thu mua nguyên vật liệu sản xuất luôn có những biến hóa trong toàn ngành .

1. Các loại vật liệu bán dẫn

Để biết tại sao có những thay đổi trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, cần có hiểu biết chung nhất về các vật liệu bán dẫn hiện có trên thị trường và cấu tạo của chúng ảnh hưởng thế nào đến các thiết bị điện tử.

Bạn đang đọc: Vật liệu bán dẫn biến đối không ngừng như thế nào? – Tạp chí tự động hóa ngày nay | Automation today

• Vật liệu bán dẫn phổ biến nhất

Các vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là silicon, germani và gali arsenua. Trong đó, germani là một trong những loại vật liệu được sử dụng sớm nhất. Germani có bốn electron hóa trị, là những electron nằm ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử. Số lượng electron hóa trị trong mỗi nguyên tử xác lập độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn. Mặc dù đặt nền móng quan trọng cho quy trình tăng trưởng của vật liệu bán dẫn, germani gần như đã không còn được sử dụng, thay vào đó là vị vua của ngành vật liệu bán dẫn lúc bấy giờ – silicon .
Silicon đã được sử dụng thoáng rộng làm vật liệu bán dẫn từ những năm 1950 và là nguyên tố phổ cập nhất trên toàn cầu chỉ sau carbon. Nguyên tử silicon có bốn electron hóa trị và nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn so với germani ( silicon nóng chảy ở 1.414 độ C và 938,3 độ C so với germani ). Nguồn silicon có sẵn chứa rất nhiều trong thạch anh, trong khi đó những quy trình tiến độ chiết xuất, tinh chế, kết tinh ra silicon đều đem lại hiệu suất cao và kinh tế tài chính rất cao. Silicon sau quy trình kết tinh sống sót ở dạng tinh thể kim cương có những link tương đối vững chắc, điều này làm cho tinh thể silicon những đặc tính cơ học can đảm và mạnh mẽ .

Gali arsenua là chất bán dẫn được sử dụng phổ cập thứ hai ngày này. Không giống như silic và germani, gali arsenua là một hợp chất, không phải là một nguyên tố và được tạo ra bằng cách phối hợp gali gồm ba electron hóa trị với asen gồm năm electron hóa trị. Sở hữu tám electron hóa trị, vật liệu tạo ra bởi gali arsenua phản ứng rất nhạy bén với dòng điện, làm cho hợp chất này vô cùng tương thích để khuếch đại những tín hiệu tần số cao nhìn thấy trong vệ tinh truyền hình. Tuy nhiên, gali arsenua có một số ít hạn chế như khó sản xuất hàng loạt hơn so với silicon, không riêng gì vậy, những hóa chất được sử dụng trong sản xuất gali arsenua còn khá ô nhiễm .

• Loại vật liệu bán dẫn đem lại hiệu quả nhất

Ngoài gali arsenua, hợp chất silicon dioxide lại có những đặc tính tiêu biểu vượt trội hơn so với silicon, thuận tiện được sử dụng làm chất cách điện, mặt phẳng thụ động và lớp cấu trúc trong những linh phụ kiện bán dẫn oxit sắt kẽm kim loại, tạo ra một loại cổng cách điện trong tranzito sử dụng hiệu ứng trường. Silicon dioxide có độ bền trong chất điện môi cao hơn silicon, đạt hiệu suất cao cách điện cao .

• Một số cải tiến mới nhất của vật liệu bán dẫn

Mặc dù đóng vai trò quan trọng nhất của ngành công nghiệp chất bán dẫn trong hầu hết những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, nhưng silicon đang dần tiến tới số lượng giới hạn ứng dụng của nó. Giờ đây, nhu yếu về những mạch tích hợp ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn đã gần như tận dụng hết những lợi thế của vật liệu bán dẫn hiện tại, khiến cho những chuyên viên trong ngành lo lắng rằng silicon sẽ sớm đạt đến số lượng giới hạn theo như Định luật Moore : “ Số lượng transistor trên mỗi đơn vị chức năng inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi 24 tháng ”. Theo đó, việc điều tra và nghiên cứu tăng trưởng những vật liệu mới cũng đang dần được triển khai, trong đó có một số ít loại vật liệu tiềm năng như :

• Gallium nitrit công suất cao: khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn, nhanh hơn trong các hệ thống lưới điện do trường năng lượng đạt tới giới hạn trên.
• Chất bán dẫn tạo bởi antimonit và bismuthit: đang được sử dụng trong các cảm biến hồng ngoại cải tiến cho lĩnh vực y tế và quân sự.
• Graphen: tiềm năng vượt qua silicon với ưu điểm là vật liệu bán dẫn đa năng, tuy nhiên việc thương mại hóa rộng rãi có thể phải mất đến 25 năm nữa.
• Pirit: có thể thay thế nguyên tố đất hiếm Cadmium tellurit, sử dụng rộng rãi trong pin mặt trời. Pirit dồi dào, giá thành rẻ và không gây độc hại.
  

  2. Tính chất của vật liệu bán dẫn

Vật liệu bán dẫn có những đặc tính đơn cử tương quan mật thiết đến tính dẫn điện. Tương lai của ngành công nghiệp bán dẫn phụ thuộc vào vào việc những vật liệu mới với những đặc tính này hoàn toàn có thể được sản xuất hàng loạt với ngân sách không vượt quá silicon hay không .

• Phân biệt các vật liệu bán dẫn

Các vật liệu được cho phép dòng điện đi qua được gọi là chất dẫn điện, ví dụ như vàng, bạc và đồng. Mặt khác, chất cách điện có điện trở cao và ngăn không cho dòng điện đi qua, như cao su đặc, thủy tinh và gốm sứ là chất cách điện. Đúng như tên gọi của nó, chất bán dẫn chiếm hữu những đặc tính của cả chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thường sống sót ở dạng tinh thể, có số lượng điện tử tự do thấp, đây là ưu điểm thuộc về đặc thù cách điện. Cùng với đó, những nguyên tử của chúng nhóm lại với nhau để tạo thành một mạng tinh thể mà qua đó hoàn toàn có thể dẫn điện, nhưng đặc thù này cũng kèm theo những nhu yếu về điều kiện kèm theo thích hợp. Ở nhiệt độ thấp, chất bán dẫn được cho phép dẫn ít hoặc không dẫn điện và hoạt động giải trí như một chất cách điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ phòng hoặc khi tiếp xúc với ánh sáng, tăng điện áp hoặc nhiệt, chúng lại hoàn toàn có thể dẫn điện. Chính bởi đặc thù trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện làm cho chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng so với những thiết bị điện tử, bởi với sự xuất hiện của chúng, việc trấn áp phương pháp, thời hạn và nơi dòng điện chạy qua trở nên vô cùng thuận tiện .

• Hoạt động của chất bán dẫn

Để có dòng điện, cần có sự di dời tự do của những electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, do đó sắt kẽm kim loại có tính dẫn điện vì những electron của chúng thuận tiện bật ra khỏi nguyên tử. Trong khi đó những chất bán dẫn như silicon nguyên chất có ít electron tự do và hoạt động giải trí giống với chất cách điện hơn .

Tính chất dẫn điện của silicon hoàn toàn có thể được tăng cường trải qua một quy trình gọi là pha tạp – trộn những tạp chất nhỏ vào vật liệu bán dẫn. Các tạp chất thêm sẽ bổ trợ nguyên tử vào vật liệu nền, từ đây tăng tính dẫn điện. Lượng tạp chất được thêm vào vật liệu bán dẫn là rất nhỏ, tỷ suất khoảng chừng một nguyên tử pha tạp trên tổng mười triệu nguyên tử bán dẫn. Tuy thông số vô cùng bé, nhưng đủ để tăng tính dẫn điện lên đáng kể. Có hai loại tạp chất được sử dụng là loại N và loại P. :

• Chất bán dẫn loại N được pha tạp thêm phốt pho hoặc asen, cả hai chất trên đều có năm electron hóa trị. Khi được thêm vào mạng silicon, một trong số các electron pha tạp không có gì để liên kết, do đó luôn sẵn sàng cho phép dòng điện chạy qua. Electron mang điện tích âm nên chất bán dẫn này được gọi là chất bán dẫn loại N.

  

  Xem thêm: Thương mại điện tử là gì? Sau này làm nghề gì? Học trường nào tốt?

• Chất bán dẫn loại P được pha tạp với boron hoặc gali, hai nguyên tố pha tạp này chỉ có ba electron hóa trị. Khi chúng hòa trộn vào mạng silicon, một vài electron của silicon không có gì để liên kết nên cho phép dẫn điện qua vật liệu. Thiếu một điện tử liên kết làm thừa  ra một số điện tích dương, vì vậy silicon pha tạp với boron hoặc gali được gọi là chất bán dẫn loại P.

  

• Quy trình sản xuất vật liệu bán dẫn

Khi những mạch tích hợp được sản xuất, những thành phần trong mạch như bóng bán dẫn và mạng lưới hệ thống dây điện được đặt trên mặt phẳng của một tấm wafer tinh thể silicon mỏng dính. Các thành phần và linh phụ kiện của mạch sẽ được phủ một chất chống quang, sau đó bảng mạch được chiếu bằng công nghệ quang khắc tạo một lớp mạch duy nhất với những bóng bán dẫn đặt ở tầng thấp nhất. Quá trình này sau đó được lặp lại với nhiều mạch được hình thành bằng cách chồng lên nhau và mặt đế bán dẫn .

3. Ứng dụng của vật liệu bán dẫn

Ngành công nghiệp sản xuất chất bán dẫn phân phối phần cứng cơ bản cho hầu hết những thiết bị điện tử, khuếch đại nguồn năng lượng, chuyển mạch, quy đổi nguồn năng lượng và cảm ứng, …

• Những linh kiện thường được làm từ chất bán dẫn

Các loại sản phẩm và linh phụ kiện thông dụng được sản xuất bằng vật liệu bán dẫn gồm có :

• Bóng bán dẫn lưỡng cực
• Điốt
• Tranzito hiệu ứng trường
• Mạch tích hợp
• Tranzito hiệu ứng trường tiếp giáp
• Điốt phát sáng (đèn LED)
• Bóng bán dẫn oxit kim loại hiệu ứng trường (MOSFET)
• Bộ chỉnh lưu điều khiển silicon

  

• Ngành công nghiệp sử dụng nhiều vật liệu bán dẫn nhất

Vật liệu bán dẫn là một thành phần thiết yếu để sản xuất những thiết bị điện tử, khiến chúng trở nên quan trọng so với hầu hết những ngành công nghiệp chính. Theo thống kê trên quốc tế, mỗi ngày có hơn một trăm tỷ chất bán dẫn được sản xuất ra .
Các nghành đặc trưng nhờ vào vào nguồn vật liệu bán dẫn gồm có :

• Trí tuệ nhân tạo
• Năng lượng sạch
• Thông tin liên lạc
• Tin học
• Năng lượng
• Chăm sóc sức khỏe
• Internet kết nối vạn vật
• Quân sự
  

  4. Thị trường vật liệu bán dẫn

• Hoạt động của thị trường vật liệu bán dẫn toàn cầu 
  Thị Trường vật liệu bán dẫn đạt giá trị hơn 50 tỷ USD vào năm 2018 và được dự báo sẽ vươn tới số lượng hơn 70 tỷ USD vào cuối năm 2025. CAGR – tỷ suất tăng trưởng kép hằng năm dự kiến ​ ​ cho quá trình 2018 và 2025 ước tính đạt 4,32 % .

• Những giá trị vượt trội của vật liệu bán dẫn

Trong khi có 1 số ít vật liệu bán dẫn vừa rẻ vừa phong phú và đa dạng như silicon thì REE – những nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong sản xuất chất điện môi cao và đánh bóng cơ hóa học lại có giá tiền rất cao. Các quy trình tiến độ thiết yếu để tìm kiếm và tách REE ra khỏi đá đều khó khăn vất vả và tốn kém, yên cầu hàng nghìn quy trình để chiết xuất và tinh chế hoàn thành xong, tạo ra sự giá trị vô cùng cao của vật liệu này. Khó khăn trong việc khai thác REE từ nguyên vật liệu thô đã khiến nhiều công ty khai thác lựa chọn không đuổi theo doanh thu mà REE mang lại. Trung Quốc là một trong số ít những vương quốc tập trung chuyên sâu vào khai thác và tinh chế REE, hiệu quả là vương quốc này sản xuất 85 % nguồn cung vonfram và molypden cho quốc tế. Việc Trung Quốc trấn áp quá trình sản xuất REE được cho phép nước này không riêng gì nắm quyền định giá mà còn tận dụng vật liệu bán dẫn như một vũ khí chính trị. Vào năm 2010, Trung Quốc đã cắt đứt mọi hoạt động giải trí xuất khẩu REE cho Nhật Bản do những tranh chấp về việc Nhật Bản bắt giữ một thuyền trưởng tàu đánh cá Trung Quốc. Trong đại chiến thương mại Mỹ-Trung, điều đáng quan ngại là liệu Trung Quốc có lựa chọn dừng xuất khẩu REE hay không .

• Quy trình thu hồi và tái chế vật liệu bán dẫn

Xem thêm: Tra cứu hóa đơn điện tử

Hiện tại, tái chế REE đạt được nhiều thành công xuất sắc nhất khi xử lý những loại sản phẩm bán dẫn cũ quy mô lớn, ví dụ điển hình như pin mặt trời, chất xúc tác xe hơi và nam châm hút tuabin gió. Việc tái chế những vật liệu bán dẫn nhỏ hơn vấp phải rào cản về yếu tố kinh tế tài chính, do chỉ có một lượng nhỏ vật liệu được tịch thu từ những mẫu sản phẩm riêng không liên quan gì đến nhau, ví dụ điển hình như điện thoại cảm ứng mưu trí. Tái chế vật liệu bán dẫn cũng không phải là không phát sinh những ngân sách về môi trường tự nhiên, một lượng lớn chất thải Open cùng với đó là phát thải nhiều chất gây ô nhiễm ô nhiễm. Vấn đề đạo đức cũng đáng được lưu tâm khi nhiều mẫu sản phẩm bán dẫn đã qua sử dụng được đưa vào những cơ sở tái chế chất thải điện tử của một bên thứ ba, vốn nổi tiếng là những khu vực đói nghèo và bóc lột sức lao động trẻ nhỏ .
Cách rõ ràng nhất để giảm ngân sách sử dụng REE là những vương quốc khác ngoài Trung Quốc khởi đầu khai thác và tinh chế REE của riêng họ. Tuy nhiên, điều này yên cầu sự chuẩn bị sẵn sàng góp vốn đầu tư vào việc tăng trưởng những quy trình tiến độ khai thác, chiết xuất và tinh chế đem lại nhiều hiệu suất cao về kinh tế tài chính hơn .

Phạm Minh Anh (theo IEEE)

Source: https://vh2.com.vn
Category : Điện Tử