Chất bán dẫn là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chất bán dẫn

Chất bán dẫn là vật liệu có khả năng dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện (như đồng) và chất cách điện (như thủy tinh). Tính chất này không cố định mà phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, điện trường, ánh sáng và mức độ pha tạp. Do khả năng kiểm soát điện trở này, chất bán dẫn được xem là nền tảng cho toàn bộ ngành công nghiệp vi điện tử.

Về mặt vật lý, đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn là có vùng cấm năng lượng (band gap) không quá lớn, thường từ 0.6 eV đến 3.4 eV. Điều này cho phép electron có thể bị kích thích từ vùng hóa trị sang vùng dẫn dưới tác động của nhiệt năng hoặc photon, tạo ra dòng điện. Ví dụ, silic (Si) có $E_g \approx 1.12\, \text{eV}$, trong khi gallium arsenide (GaAs) có $E_g \approx 1.43\, \text{eV}$.

Theo Nature Reviews Materials, việc kiểm soát độ dẫn điện một cách chính xác trong chất bán dẫn là chìa khóa cho công nghệ transistor, diode và các thiết bị logic hiện đại.

Đặc tính điện tử cơ bản

Trong lý thuyết vùng năng lượng, các electron trong chất rắn tồn tại trong những vùng năng lượng rời rạc. Vùng hóa trị (valence band) chứa các electron liên kết, trong khi vùng dẫn (conduction band) chứa các electron tự do. Vùng cấm (band gap) là khoảng cách năng lượng giữa hai vùng này.

Với chất dẫn điện, vùng hóa trị và vùng dẫn chồng lên nhau nên electron dễ dàng chuyển động. Ở chất cách điện, vùng cấm rất lớn nên không có dòng điện ở điều kiện bình thường. Trong khi đó, ở chất bán dẫn, một phần nhỏ electron có thể vượt qua vùng cấm nhờ kích thích năng lượng và tham gia dẫn điện.

Bảng dưới đây minh họa độ rộng vùng cấm của một số chất bán dẫn phổ biến:

Vật liệu	Loại	Vùng cấm (eV)
Silic (Si)	Bán dẫn nguyên tố	1.12
Germanium (Ge)	Bán dẫn nguyên tố	0.66
Gallium Arsenide (GaAs)	Bán dẫn hợp chất	1.43
Zinc Oxide (ZnO)	Bán dẫn oxit	3.37

Phân loại chất bán dẫn

Chất bán dẫn được phân thành hai loại chính: bán dẫn nội sinh (intrinsic) và bán dẫn ngoại sinh (extrinsic). Bán dẫn nội sinh là tinh thể tinh khiết, không có tạp chất, như silic tinh khiết. Dòng điện hình thành nhờ nhiệt năng kích thích electron vượt vùng cấm, tạo thành cặp electron – lỗ trống.

Bán dẫn ngoại sinh được tạo ra bằng cách pha tạp vào bán dẫn tinh khiết một lượng nhỏ nguyên tử khác để thay đổi tính dẫn điện. Dựa vào loại nguyên tử pha tạp, ta có hai dạng:

• Bán dẫn loại n: pha tạp với nguyên tố nhóm V (như P, As), cung cấp electron tự do.
• Bán dẫn loại p: pha tạp với nguyên tố nhóm III (như B, Al), tạo ra lỗ trống do thiếu electron.

Sự điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ pha tạp cho phép chế tạo các linh kiện như diode, transistor hoặc junction kép với đặc tính điện riêng biệt.

Hiện tượng dẫn điện và lỗ trống

Trong chất bán dẫn, hạt mang điện gồm hai loại chính: electron (có điện tích âm) và lỗ trống (hole – vị trí trống khi electron rời khỏi liên kết hóa trị, mang điện tích dương tương đương). Dưới tác dụng của điện trường ngoài, cả hai loại hạt đều có thể di chuyển và tạo nên dòng điện tổng.

Khi một electron bị kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, nó để lại một lỗ trống. Lỗ trống này có thể được lấp bởi electron lân cận, tạo ra một chuyển động hiệu dụng theo chiều ngược lại. Do đó, ta có thể mô hình hóa chuyển động của lỗ trống như một hạt mang điện dương.

Các quá trình xảy ra trong chất bán dẫn bao gồm:

• Phát sinh cặp electron–lỗ trống do kích thích năng lượng.
• Di chuyển của electron và lỗ trống dưới tác dụng điện trường.
• Tái hợp (recombination): khi electron và lỗ trống gặp nhau, chúng tái hợp và giải phóng năng lượng (nhiệt hoặc photon).

Khả năng dẫn điện của bán dẫn phụ thuộc vào mật độ và độ linh động của hạt mang điện. Ví dụ, độ linh động electron trong Si cao hơn so với lỗ trống, khiến chất bán dẫn loại n thường có độ dẫn tốt hơn loại p.

Quy trình chế tạo bán dẫn

Chế tạo chất bán dẫn, đặc biệt là chip vi mạch, là một quy trình cực kỳ chính xác và phức tạp, bao gồm hàng trăm bước trong môi trường sạch cấp độ cao (class 1–100). Quy trình cơ bản bắt đầu từ một tinh thể silic đơn (ingot) được tạo ra bằng phương pháp Czochralski, sau đó cắt thành các tấm wafer mỏng (~300 mm).

Các bước chính trong sản xuất chip bán dẫn gồm:

1. Oxy hóa: tạo lớp SiO₂ trên bề mặt wafer.
2. Quang khắc (photolithography): chiếu mẫu mặt nạ lên lớp nhạy sáng để định hình vùng xử lý.
3. Etching: loại bỏ vật liệu không mong muốn bằng ăn mòn khô (plasma) hoặc ướt.
4. Ion implantation: pha tạp ion để thay đổi tính chất dẫn điện.
5. Deposition: lắng đọng lớp vật liệu mỏng bằng kỹ thuật CVD hoặc PVD.
6. Metalization: phủ lớp dẫn điện như Al, Cu để kết nối các linh kiện trên chip.

Cuối cùng, wafer được kiểm tra, cắt thành các die riêng lẻ và đóng gói thành sản phẩm hoàn chỉnh. Theo Nature, công nghệ chế tạo hiện đại đã đạt tới transistor 3 nm, vượt qua nhiều rào cản vật lý của vật liệu truyền thống.

Ứng dụng của chất bán dẫn

Chất bán dẫn là nền tảng cho tất cả thiết bị điện tử hiện đại. Ứng dụng trải dài từ điện tử tiêu dùng đến quốc phòng, từ giao thông thông minh đến y tế chính xác. Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

• Máy tính & Viễn thông: CPU, GPU, modem 5G, bộ nhớ flash, DRAM đều dùng transistor MOSFET.
• Điện tử công suất: IGBT, SiC MOSFET điều khiển motor, chuyển đổi nguồn, pin mặt trời.
• Thiết bị y tế: máy siêu âm, máy đo ECG, cảm biến sinh học dùng chip bán dẫn tích hợp.
• Ô tô: hệ thống ADAS, radar, lidar, bộ điều khiển trung tâm sử dụng hàng trăm chip khác nhau.

Đặc biệt, các chất bán dẫn hợp chất như GaN và SiC đang dần thay thế silicon trong các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, tần số cao nhờ khả năng chịu nhiệt và hiệu suất chuyển mạch vượt trội.

Chất bán dẫn hợp chất và vật liệu mới

Bên cạnh silicon, nhiều vật liệu bán dẫn khác được khai thác để tối ưu hiệu suất điện – quang – nhiệt. Chất bán dẫn hợp chất như GaAs, GaN, InP sở hữu độ linh động cao, băng thông rộng và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn silicon.

GaN được sử dụng trong bộ sạc siêu nhanh, radar tần số cao và trạm phát 5G. InP đặc biệt hữu ích cho thiết bị truyền dẫn quang và cảm biến lượng tử. Một số vật liệu tiên tiến khác đang được nghiên cứu gồm:

• Graphene: dẫn điện tốt, cực mỏng, tiềm năng trong transistor 2D và cảm biến sinh học.
• MoS₂: vật liệu bán dẫn 2 chiều có vùng cấm phù hợp cho transistor FET kích thước nano.
• Perovskite: ứng dụng trong tế bào năng lượng mặt trời hiệu suất cao.

Với tốc độ phát triển nhanh của AI và điện toán lượng tử, các vật liệu bán dẫn mới đang được tích cực đầu tư để vượt qua giới hạn của công nghệ CMOS truyền thống.

Hiện tượng lượng tử và hiệu ứng Hall

Trong các điều kiện đặc biệt như nhiệt độ thấp và từ trường mạnh, các hiệu ứng lượng tử trong chất bán dẫn trở nên rõ nét và có giá trị ứng dụng cao. Một ví dụ điển hình là hiệu ứng Hall lượng tử (QHE), trong đó điện trở Hall trở thành lượng tử hóa với giá trị:

$R_H = \frac{h}{e^2 \cdot n}$

Trong đó, $h$ là hằng số Planck, $e$ là điện tích electron và $n$ là bậc lượng tử. Hiệu ứng này được ứng dụng trong chuẩn đo lường điện trở quốc tế.

Hiệu ứng Hall thông thường cũng được dùng để xác định loại bán dẫn, mật độ hạt mang điện và độ linh động. Các thiết bị cảm biến từ trường hiện đại như trong smartphone hay hệ thống chống bó cứng phanh (ABS) đều sử dụng cảm biến Hall.

Xu hướng và thách thức trong công nghệ bán dẫn

Ngành công nghiệp bán dẫn đang đối mặt với giới hạn vật lý khi tiếp cận mức transistor vài nanomet. Điều này kéo theo các thách thức như tăng rò rỉ điện, nhiễu nhiệt và độ phức tạp sản xuất. Một số xu hướng giải quyết bao gồm:

• Tích hợp 3D: xếp chồng nhiều lớp chip, tăng mật độ mà không thu nhỏ transistor.
• Chiplet: chia nhỏ chip thành các khối chức năng, kết nối bằng interposer hoặc bus tốc độ cao.
• Thiết kế ứng dụng riêng (ASIC/FPGA): tối ưu hiệu suất cho các tác vụ AI, xử lý tín hiệu.
• Thay thế kết nối điện bằng quang học: sử dụng photon thay electron để truyền dữ liệu nhanh hơn, tiêu tán nhiệt thấp hơn.

Đồng thời, xu hướng mở rộng nhà máy chế tạo (fabs) đang diễn ra toàn cầu từ Mỹ, Hàn Quốc, Đài Loan đến châu Âu để tránh đứt gãy chuỗi cung ứng và nâng cao an ninh công nghệ.

Tài liệu tham khảo

1. Nature Reviews Materials – Semiconductors for the next generation
2. Nature – The future of semiconductor manufacturing
3. NIST – Semiconductor Metrology and Standards
4. ScienceDirect – Semiconductor Topics
5. IMEC – Semiconductor Research and Innovation