Công nghệ bán dẫn

Công nghệ bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử và viễn thông. Các thành phố và vùng lãnh thổ chủ yếu ở Đài Loan, Hàn Quốc, Mỹ, Nhật Bản, và Trung Quốc đã trở thành các trung tâm quan trọng của ngành công nghiệp bán dẫn.

Lịch sử của ngành công nghiệp bán dẫn là một hành trình đầy biến động và tiến bộ kỹ thuật và ngày nay nó trở thành lĩnh vực có tầm ảnh hưởng quan trọng bậc nhất đối với đời sống con người.

Thập kỷ 1940 - 1950: Bước đầu của ngành công nghiệp bán dẫn bắt đầu vào cuối thập kỷ 1940 và đầu thập kỷ 1950. Trong giai đoạn này, các nhà khoa học và kỹ sư như John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley tại Bell Labs đã phát triển transistor, thiết bị bán dẫn nhỏ gọn có khả năng điều khiển dòng điện thông qua nó.

Thập kỷ 1960: Sự phát triển của transistor đã dẫn đến sự ra đời của IC (vi mạch tích hợp) đầu tiên vào năm 1958. Jack Kilby của công ty Texas Instruments và Robert Noyce của công ty Fairchild Semiconductor phát minh ra công nghệ IC và lập trình IC đầu tiên dựa trên transistor.

Thập kỷ 1970: Ngành công nghiệp chip bán dẫn bắt đầu phát triển nhanh chóng và sự gia tăng vượt bậc trong hiệu năng và tích hợp. Các công ty lớn như Intel đã được thành lập, và máy tính cá nhân đầu tiên xuất hiện.

Thập kỷ 1980 và 1990: Thời kỳ này chứng kiến sự gia tăng đáng kể về sức mạnh tính toán của chip bán dẫn. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của máy tính cá nhân, máy tính xách tay và sự thâm nhập của chip vào các lĩnh vực khác như viễn thông và y tế.

Thập kỷ 2000: Ngành công nghiệp chip bán dẫn tiếp tục phát triển với việc tạo ra các chip có kích thước nhỏ hơn và hiệu năng cao hơn. Các công nghệ mới như thạch anh lỏng và silicon-on-insulator (SOI) đã xuất hiện.

Thập kỷ 2010: Các tiến bộ trong công nghệ sản xuất cho phép việc sản xuất các chip có kích thước nhỏ hơn và hiệu năng tăng lên. Các ứng dụng như trí tuệ nhân tạo (AI), Intermet vạn vật (IoT), xe tự hành, và máy tính lượng tử đã trở nên quan trọng hơn.

Thập kỷ 2020 và sau này: Ngành công nghiệp chip bán dẫn tiếp tục phát triển và đối mặt với các thách thức mới, như việc đảm bảo an toàn mạng và quyền sở hữu trí tuệ, cùng việc phải tối ưu hóa hiệu năng và tiêu thụ năng lượng của các thiết bị điện tử.

Lịch sử của ngành công nghiệp bán dẫn đã trải qua sự phát triển nhanh chóng và liên tục, đóng góp quan trọng vào cuộc sống hiện đại và sự phát triển công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ bán dẫn đã thúc đẩy sự thay đổi và sáng tạo liên tục trong chính ngành công nghiệp bán dẫn.

Trong tiến trình và lịch sử phát triển, các tiến bộ trong công nghệ bán dẫn thường được đo lường bằng kích thước của các thành phần nhỏ nhất được tạo ra trong quá trình sản xuất. Kích thước này thường được đo bằng đơn vị nanometer (nm), và tiến triển thu nhỏ kích thước chip giúp tăng hiệu suất và giảm kích thước của các thiết bị điện tử. Các công nghệ sản xuất chip tiên tiến bao gồm Lithography và các kỹ thuật chế tạo mạch như FinFET (Field Effect Transistor with Fin), 3D NAND, và nhiều kỹ thuật khác.

Có rất nhiều loại chất bán dẫn và phần này không cố gắng cung cấp một cái nhìn tổng quan đầy đủ. Thay vào đó, mục đích là giải thích các mô hình kinh doanh phổ biến nhất và cách chúng liên quan đến các loại chất bán dẫn khác nhau. Có 7 loại sản phẩm công nghệ trong ngành công nghiệp bán dẫn:

1. Bộ nhớ (Memory): Là các thành phần chịu trách nhiệm lưu trữ dữ liệu trong các thiết bị điện tử. Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau, chẳng hạn như RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) và ROM (bộ nhớ chỉ đọc).

2. Logic: Bao gồm các vi mạch logic được thiết kế để thực hiện các phép toán logic và chức năng điều khiển trong các hệ thống điện tử. Điều này bao gồm cả cổng logic, flip-flops, và các vi mạch logic phức tạp hơn.

3. Vi điều khiển (Microcontrollers): Là các vi mạch tích hợp có khả năng xử lý và kiểm soát các chức năng trong một hệ thống nhỏ. Chúng thường được sử dụng trong các sản phẩm như điều khiển tự động, vi xử lý nhúng và các ứng dụng IoT.

4. Tín hiệu tương tự (Analog): Bao gồm các thành phần và vi mạch được thiết kế để xử lý và truyền tín hiệu tương tự, không phải là dạng số. Các ứng dụng bao gồm vi xử lý tín hiệu analog, khuếch đại tín hiệu và các linh kiện tương tự khác.

5. Quang điện tử (Optoelectronics): Liên quan đến việc sử dụng ánh sáng và tín hiệu quang học trong các thiết bị điện tử. Điều này bao gồm các linh kiện như đèn LED, cảm biến ánh sáng, và các thiết bị quang điện tử.

6. Rời rạc (Discrete): Bao gồm các linh kiện điện tử cá thể, không tích hợp trên cùng một vi mạch. Các thành phần rời rạc bao gồm điốt, tranzistor, và tụ điện, được sử dụng để xây dựng mạch điện tử.

7. Cảm biến (Sensors): Là các thiết bị chuyển đổi các tín hiệu vật lý hoặc hóa học thành tín hiệu điện. Các loại cảm biến bao gồm cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, và cảm biến gia tốc, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng từ điện tử tiêu dùng đến công nghiệp tự động hóa.

4 loại đầu tiên được gọi là mạch tích hợp (IC) và bài viết này chủ yếu tập trung vào các IC hoặc “chip” này. IC là một chip bán dẫn silicon thu nhỏ, một tập hợp các thiết bị điện tử chủ động và thụ động nhỏ được sản xuất. Nó được phát triển để xây dựng các mạch có kích thước nano với nhiều bộ phận và kết nối khác nhau giữa chúng. Bộ vi xử lý, bộ khuếch đại, bộ đếm, bộ tạo dao động, bộ đếm thời gian hoặc bộ nhớ máy tính đều có thể được triển khai bằng cách sử dụng IC. Một mạch tích hợp có thể được phân loại thành analog, digital hoặc hybrid. Việc sử dụng cơ điện tử trong các ứng dụng công nghiệp và ô tô đã làm tăng đáng kể nhu cầu về các bộ phận điện tử có chứa mạch tích hợp. Hơn nữa, nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại thông minh, máy tính bảng, TV và các thiết bị khác thúc đẩy tăng trưởng thị trường IC. Theo Statista (Semiconductor market revenue worldwide 1987-2024, https://www.statista.com/statistics/266973/global-semiconductor-sales-since-1988/), năm 2023, doanh số bán chất bán dẫn đạt tổng cộng 515,1 tỷ USD và khoảng 80% trong số đó (412,8 tỷ USD) là doanh số bán IC. Cảm biến, quang điện tử (như đèn LED) và chất bán dẫn rời rạc (bóng bán dẫn đơn) cùng nhau chiếm 20% còn lại.