Chip bán dẫn là gì? Công dụng và ví dụ

Với sự phát triển không ngừng, công nghệ chip bán dẫn tiếp tục thay đổi cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh và tạo ra những cơ hội mới cho sự tiến bộ công nghệ. Nhưng chip bán dẫn là gì? Bài viết này BTEC FPT sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về công nghệ này, các ứng dụng phổ biến của nó, và cung cấp một số ví dụ thú vị về công nghệ này.

Chip bán dẫn là gì

Chip bán dẫn là gì?

• Chip bán dẫn là một thiết bị điện tử nhỏ được làm bằng vật liệu bán dẫn (thường là silicon hoặc germanium), đóng vai trò là khối xây dựng cơ bản của hầu hết các mạch điện tử.
• Những con chip này có thể chứa hàng tỷ công tắc cực nhỏ trên một con chip nhỏ hơn móng tay.
• Thành phần cơ bản của chip bán dẫn là một tấm wafer được khắc bằng các transistor nhỏ điều khiển dòng điện theo các hướng dẫn tính toán khác nhau.
• Nó thực hiện nhiều chức năng khác nhau, chẳng hạn như xử lý dữ liệu, lưu trữ thông tin hoặc điều khiển các thiết bị điện tử.
• Chúng là một phần quan trọng của hầu hết mọi thiết bị điện tử hiện đại, bao gồm điện thoại thông minh, máy tính và mạch tích hợp.

Transistor:

• Bóng bán dẫn (transistor) là thành phần cơ bản của thiết bị bán dẫn giúp khuếch đại hoặc chuyển đổi tín hiệu điện tử và năng lượng điện.
• Chúng là khối xây dựng của các thiết bị điện tử hiện đại và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm bộ khuếch đại, công tắc và mạch kỹ thuật số.

Công nghệ chế tạo:

• Công nghệ chế tạo đề cập đến quá trình tạo ra các thiết bị bán dẫn như chip và transistor. Nó bao gồm một số bước chính, bao gồm chuẩn bị wafer, quang khắc, khắc, pha tạp và đóng gói.

Wafer:

• Tấm wafer (còn gọi là lát hoặc chất nền) là một lát vật liệu bán dẫn mỏng, chẳng hạn như silicon tinh thể, được sử dụng để chế tạo các mạch tích hợp.
• Chip bán dẫn được sản xuất bằng cách in một dãy chip trên một tấm bán dẫn hình tròn, tương tự như cách in tem bưu chính trên một tờ giấy rồi cắt ra riêng lẻ.
• Kích thước tấm bán dẫn lớn hơn trong ngành cho phép in nhiều chip hơn trên một tấm, tăng tốc và giảm chi phí sản xuất chip, bất chấp những thách thức kỹ thuật và chi phí vốn ban đầu liên quan.

Vật liệu bán dẫn: 

• Vật liệu bán dẫn được sử dụng nhiều nhất là silicon, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất mạch tích hợp (IC).
• Các vật liệu phổ biến khác bao gồm germanium, gallium arsenide và indium phosphide. Những vật liệu này có những đặc tính độc đáo khiến chúng phù hợp với các ứng dụng cụ thể

Có hai loại chất bán dẫn cơ bản:

• Loại N là khi có số lượng lớn electron tự do hoặc khi độ dẫn của nó cao hơn
• Loại P là khi có ít electron tự do hơn và khi độ tự cảm của nó thấp hơn.

Quy trình sản xuất chip bán dẫn

Trước khi sản xuất chip bán dẫn ta cần phải trải qua một quá trình quan trọng và phức tạp đó là thiết kế vi mạch. Đây là quá trình tạo ra các mạch điện tử và các thành phần khác trên chip để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Đóng vai trò quyết định trong việc xác định hiệu suất và tính cạnh tranh của sản phẩm cuối cùng.

Bước 1: Nghiên cứu

• Các kỹ sư vi mạch sẽ nghiên cứu trước về mô hình và sản phẩm cần thiết kế

Bước 2: Thiết kế

• Các kỹ sư sử dụng các máy móc chuyên dụng để thiết kế và đưa ra các thông số cho sản phẩm.

Bước 3: Lựa chọn nguyên liệu thô

• Nguyên liệu thô thường được sử dụng nhất là cát, chứa một lượng lớn silicon. Hoặc cũng có thể lựa chọn nguyên liệu thô khác tùy theo sản phẩm

Bước 4: Làm phôi

• Cát được tinh chế và nấu chảy thành các hình trụ rắn hình thỏi nặng tới hơn 200lbs

Bước 5: Tạo các Wafer trống

• Các thỏi được cắt thành các đĩa silicon rất mỏng (1mm) và được đánh bóng để đạt được độ hoàn thiện hoàn hảo

Bước 6: Hoàn thiện các Wafer

• Các tấm bán dẫn được in với các thiết bị mạch rất phức tạp để sau trở thành các chip riêng lẻ

Bước 7: Cắt Wafer

• Tấm bán dẫn silicon chứa các chip đã hoàn thiện, đôi khi lên tới 70000 mỗi tấm. Sau đó được cắt thành các chip riêng lẻ nhỏ gọi là khuôn

Bước 8: Đóng gói Chip

• Sau đó, những khuôn này được đóng gói thành chip hoàn thiện và có thể đặt vào các thiết bị.

Bước 9: Chip trên bảng mạch

• Chip thành phẩm được nhúng vào vô số thiết bị điện tử, từ máy tính và điện thoại thông minh đến thiết bị ý tế tiên tiến và siêu máy tính.

Quy trình sản xuất chip bán dẫn

Công dụng của chip bán dẫn

Chip bán dẫn là linh kiện cơ bản và không thể thiếu trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại và đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn. Nó cần sự ứng dụng và hiểu biết sâu sắc về ngành để thiết kế, sản xuất và hoạt động một cách hiệu quả.

Một số công dụng quan trọng của chip có thể kể đến như:

Nền tảng xử lý: Chip được sử dụng trong việc xây dựng các nền tảng xử lý thông tin như vi xử lý (CPU), bộ xử lý đồ họa (GPU) và các loại vi xử lý đặc biệt khác (như vi xử lý AI, vi xử lý tích hợp IoT, vv). Những vi xử lý này đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các tác vụ tính toán phức tạp từ máy tính cá nhân đến hệ thống máy chủ.

Lưu trữ và bộ nhớ: Chip bán dẫn cũng được sử dụng trong các loại bộ nhớ như bộ nhớ flash, RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên), ROM (bộ nhớ chỉ đọc). Những bộ nhớ này đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ và truy cập dữ liệu trong các thiết bị điện tử từ điện thoại di động đến máy tính cá nhân.
Thiết bị điện tử tiêu thụ điện năng thấp: Chip cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu thụ điện năng thấp như cảm biến, vi xử lý nhúng và vi xử lý IoT. Những chip này thường được tích hợp trong các thiết bị như cảm biến thông minh, thiết bị y tế, đồ gia dụng thông minh, vv.

Liên kết và giao tiếp: Chip bán dẫn được sử dụng trong việc tạo ra các kết nối và giao tiếp giữa các thiết bị. Ví dụ, trong các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh và máy tính bảng, các chip liên kết như Wi-Fi, Bluetooth và NFC giúp kết nối với các mạng và thiết bị khác.

An ninh và mã hóa: Chip cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các tính năng an ninh và mã hóa cho các thiết bị điện tử. Các chip an ninh được sử dụng để bảo vệ dữ liệu cá nhân, thông tin tài khoản và giao dịch tài chính.

Phân loại chip bán dẫn

Có nhiều loại chip bán dẫn khác nhau, mỗi loại được thiết kế để phục vụ cho mục đích cụ thể trong nhiều ứng dụng khác nhau.

• CPU (Central Processing Unit): Đây là loại chip quan trọng nhất trong máy tính và các thiết bị điện tử. CPU thực hiện các phép toán và quản lý nhiệm vụ tính toán cơ bản trong hệ thống.
• GPU (Graphics Processing Unit): Chip đồ họa hoặc GPU chuyên dụng cho việc xử lý đồ họa. Chúng được sử dụng trong trò chơi, thiết kế đồ họa, và các ứng dụng yêu cầu hiệu suất đồ họa cao.
• FPGA (Field-Programmable Gate Array): FPGA là một loại chip bán dẫn có khả năng lập trình lại. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng cần tích hợp logic cơ bản và tùy chỉnh, như trong thiết kế vi mạch số
• SoC (System-on-a-Chip): SoC là một loại chip tích hợp nhiều thành phần chức năng vào một chip duy nhất. Chúng thường bao gồm CPU, GPU, bộ nhớ, và các phần khác để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh trên một chip.
• RAM (Random Access Memory): RAM là thiết bị để lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình hoạt động của hệ thống. Nó cho phép truy cập nhanh đến dữ liệu và chương trình trong khi máy tính hoạt động.
• Microcontroller: Loại chip này là một CPU tích hợp trong một vi mạch nhỏ gọn. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển thiết bị gia đình, thiết bị y tế, và thiết bị thông minh.

Ví dụ về chip bán dẫn

Chip bán dẫn có thể được sử dụng để thực hiện nhiều loại chức năng, bao gồm xử lý thông tin, lưu trữ dữ liệu, đảm bảo giao tiếp trên mạng, và thậm chí là điều khiển các thiết bị khác nhau.

Transistor là một linh kiện đa năng có thể được sử dụng để chuyển mạch hoặc khuếch đại tín hiệu điện

Hình ảnh 1 chiếc transisitor

Bộ nhớ Flash để lưu trữ dữ liệu

Thẻ nhở flash

Nguồn điện nếu bạn nhìn kỹ, bạn sẽ thấy đủ loại chất bán dẫn. Hầu hết chúng đều ở các thành phần như bộ điều chỉnh , bộ cách ly quang hoặc bộ khuếch đại hoạt động

Nguồn điện

Đây là đầu dò nhiệt DS18B20. Đầu kim loại là bộ phận thực sự cảm nhận nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ

Trong máy ảnh có các bộ dò quang được thiết kế để nhạy cảm với nhiều màu sắc khác nhau và được sắp xếp theo kiểu bộ lọc Bayer để có thể tái tạo thông tin đầy đủ về màu sắc nhằm tạo ra hình ảnh.

Cảm biến của máy ảnh

Điốt quang là thiết bị hữu ích để phát hiện mức độ ánh sáng. Chúng hoạt động rất giống các tế bào năng lượng mặt trời thu nhỏ, mặc dù tính chất hóa học chính xác của chúng khiến chúng phù hợp hơn để đo mức độ ánh sáng thay vì đạt được khả năng thu thập năng lượng tối đa:

Diot quang điện

Một số thông tin thêm về BTEC FPT đào tạo công nghệ bán dẫn

• https://vietnamnet.vn/sinh-vien-cong-nghe-ban-dan-btec-fpt-them-co-hoi-du-hoc-lam-viec-o-han-quoc-2254942.html
• https://dantri.com.vn/giao-duc/btec-fpt-tao-cau-noi-giup-sinh-vien-nganh-cong-nghe-ban-dan-lam-viec-tai-han-quoc-20240301112533911.htm
• https://vtv.vn/cong-nghe/hop-tac-dao-tao-nhan-luc-cong-nghe-ban-dan-20231116225647352.htm
• https://dantri.com.vn/giao-duc/btec-fpt-mo-ra-co-hoi-cho-sinh-vien-lam-viec-trong-nganh-cong-nghe-ban-dan-20240216181905178.htm

Một số câu hỏi về chip bán dẫn

1.Tại sao chất chip dẫn lại quan trọng?

Trả lời: Chip bán dẫn có ở hầu hết tất cả các thiết bị điện tử ngày nay mà chúng ta sử dụng. Hiểu đơn gian là bạn không thể vận hành cuộc sống hiện đại mà không có chúng. Thế giới phát triển càng nhanh, càng thông minh thì nhu cầu về chip bán dẫn sẽ càng tăng.

2. Chip bán dẫn có liên quan gì tới máy tính?

Trả lời: Không một máy tính nào có thể hoạt động được mà không có chip bán dẫn. Mọi thông tin trong máy tính đều được lưu trữ dưới dạng các số nhị phân 0 và 1. Và những số 0 và 1 này được tạo ra từ bóng bán dẫn và diot.

3. Tại sao lại có lo ngại về tình trạng thiếu chip bán dẫn

Trả lời: Hiện này chỉ có 1 số ít công ty và quốc gia sở hữu công nghệ sản xuất chip bán dẫn. Do đó, chỉ cần có sự tác động về yếu tố thiên nhiên hay như dịch bệnh covid có thể làm ảnh hưởng tới quá trình sản xuất và logistic của các công ty đó. Từ đó, có thể dẫn tới tình trạng thiếu hụt chip bán dẫn trên toàn cầu.

4. Tại sao chip bán dẫn lại là chủ đề được đề cập rất nhiều trong thời gian hiện nay.

Trả lời: Chip bán dẫn giống như xương sống của nền kinh tế hiện đại. Như đã nói ở trên, chip bán dẫn xuất hiện trong hầu hết mọi thiết bị điện tử hiện đại, chi phối mọi mặt của cuộc sống từ sức khỏe, tài chính và kể cả về mặt vui chơi, giải trí. Do đó, việc lắm cho mình quyền tự chủ sản xuất về chip bán dẫn dẫn quan trọng để có thể phát triển mạnh về kinh tế và đáp ứng những nhu cầu của xã hội.

5. Thách thức lớn nhất của ngành công nghiệp sản xuất chip bán dẫn là gì?

Trả lời: Thách thức lớn nhất đó là thiếu nguồn nhân lực chất lượng cao về công nghiệp bán dẫn. Đây là một yếu tố rất quan trọng để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn. Công nghệ bán dẫn đang phát triển rất nhanh do đó cần nguồn nhân lực để đáp ứng nhu cầu phát triển này.

6. Những tiến bộ nào trong công nghệ bán dẫn nào sắp diễn ra?

Trả lời: Trí tuệ nhân tạo AI sẽ là một trong những tiến bộ quan trọng để thay đổi cuộc sống cũng như toàn ngành bán dẫn. AI đang cho thấy sự hiệu quả trong giúp sức con người giảm tải công việc và có thể giúp công việc trở lên hiệu quả hơn.

7. Có nên theo học ngành bán dẫn không?

Trả lời: Chắc chắc là có, với sự phát triển rất nhanh của ngành công nghệ bán dẫn và nhu cầu nhân lực chất lượng cao. Đây sẽ là ngành hot trong thời gian tới trên thị trường việc làm

8. Tương lai của ngành bán dẫn sẽ như nào?

Trả lời: Tương lai của ngành đang rất tươi sáng bởi 2 lý do chính.

Thứ nhất, ngành bán dẫn đang nghiên cứu và tìm kiếm thêm những vật liệu mới tốt hơn để thay thế cho silicon. Do đó, cơ hội để phát triển sẽ còn rất nhiều.

Thứ hai: những lợi ích và sự hiệu quả của ngành bán dẫn cần được phát triển hơn nữa để phục vụ cho cuộc sống. Ví dụ giải nobel vật lý 2014 được trao cho "phát minh ra diot phát sáng màu xanh lam [LED] hiệu quả hơn và cho phép tạo ra nguồn sáng trắng sáng, tiết kiện năng lượng.