1. Linh kiện bán dẫn là gì?
- Linh kiện bán dẫn hay phần tử bán dẫn là các linh kiện điện tử khai thác tính chất điện tử của vật liệu bán dẫn như silic, germani và arsenua, cũng như chất bán dẫn hữu cơ.
- Linh kiện bán dẫn sử dụng dẫn truyền điện tử ở trạng thái rắn (Solid state), trái ngược với các trạng thái truyền điện tử phát xạ nhiệt hay khi trong chân không cao như ở các đèn điện tử chân không.
- Các linh kiện bán dẫn được sản xuất ở cả hai dạng linh kiện rời và mạch tích hợp IC. Trong IC có từ vài (thấp nhất là hai) đến hàng tỷ linh kiện, được gia công và kết nối với nhau trên một nên bán dẫn duy nhất là tấm wafer.
2. Vật liệu bán dẫn
- Silic (Si) là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong các linh kiện bán dẫn. Chi phí nguyên vật liệu thấp, chế biến tương đối đơn giản, phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, khả năng chế tạo thành tấm nền có đường kính đủ lớn cỡ 300mm (12in), làm cho nó là tốt nhất trong số các vật liệu cạnh tranh khác.
- Germani (Ge) là loại vật liệu bán dẫn sử dụng đầu tiên, nhưng sự nhạy nhiệt làm cho nó thua kém silic. Hiện nay, germani được tạo hợp kim với silic để sử dụng trong các linh kiện Si/Ge tốc độ rất cao.
- Arsenua galli (GaAs) cũng được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện tốc độ cao, nhưng khó chế tạo được tấm nền lớn.
◊Vật liệu ít phổ biến khác cũng được sử dụng hoặc đang được nghiên cứu.
- Carbide silic (SiC) đã tìm thấy một số ứng dụng làm nguyên liệu cho điốt phát sáng xanh lam (LED). Nó đang được nghiên cứu để sử dụng trong các linh kiện bán dẫn có thể chịu được nhiệt độ hoạt động rất cao và môi trường có bức xạ ion hóa lớn.
- Hợp chất indi khác nhau (arsenua, antimonua, phosphua indi) cũng đang được sử dụng trong các LED và điốt laser.
- Sulfide Seleni đang được nghiên cứu sản xuất các tế bào năng lượng mặt trời.
- Các chất bán dẫn hữu cơ được sử dụng cho điốt phát sáng hữu cơ.
3. Linh kiện bán dẫn phổ biến
Điốt, Varistor, Phototransistor, Transistor, Triac, Ổn áp, Photo coupler, IC, ADC, DAC, Cổng logic, Flip-flop, Mạch cộng, Mạch đếm, CPU, RAM, ROM, Vi điều khiển……….
4. Cấu tạo của linh kiện bán dẫn
- Từ các chất bán dẫn ban đầu người ta tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được các linh kiện bán dẫn.
- Bán dẫn loại N là chất bán dẫn có hạt tải điện chủ yếu là electron ( mang điện tích âm).
- Bán dẫn loại P là chất bán dẫn có hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống (mang điện tích dương)
- Dòng điện trong bán dẫn là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường.
- Lớp chuyển tiếp P-N là chỗ tiếp xúc của miền mang tính dẫn P và miền mang tính dẫn N được tạo ra trên một thể bán dẫn. Miền bán dẫn loại P hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống. Miền bán dẫn loại N hạt tải điện chủ yếu là electron tự do. Tại lớp chuyển tiếp P-N electron tự do và lỗ trống trà trộn vào nhau.
- Khi electron gặp lỗ trống, nó sẽ nối lại liên kết và một cặp electron-lỗ trống bị biến mất.
- Ở lớp chuyển tiếp P-N sẽ hình thành một lớp không có hạt tải điện được gọi là lớp nghèo.
- Điện trở của lớp nghèo rất lớn.
◊Nếu đặt một điện trường có chiều hướng từ bán dẫn P sang bán dẫn N thì :
- Lỗ trống trong bán dẫn P sẽ chạy theo cùng chiều điện trường vào lớp nghèo.
- Electron trong lớp bán dẫn N sẽ chạy ngược chiều điện trường vào lớp nghèo.
- Lúc này lớp nghèo có hạt tải điện và trở nên dẫn điện. Vì vậy, sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền bán dẫn P sang miền bán dẫn N.
◊Quy ước:
- Chiều dòng điện qua lớp nghèo từ P sang N: Chiều thuận.
- Chiều dòng điện không qua lớp nghèo từ N sang P: Chiều ngược.
◊Ví dụ cấu tạo Điôt bán dẫn và Transitor:
Nếu ghép hai chất bán dẫn P-N ta được một điốt bán dẫn.
Một Transitor chứa ba lớp gồm có một chất bán dẫn loại P kẹp giữa hai bán dẫn loại N (kiểu NPN), hoặc một bán dẫn loại N kẹp giữa hai bán dẫn loại P (kiểu PNP).
Một điện cực được gắn vào mỗi lớp nền: B (cực gốc),
E (cực phát) và C (cực góp).
5. Lịch sử phát triển
◊Trước đây:
- Lịch sử ra đười của linh kiện bán dẫn có thể bắt nguồn từ việc phát minh ra bộ chỉnh lưu vào năm 1874.Qua nhiều thập kỉ tại phòng thí nghiệm Bell ở Mỹ đã phát minh ra bóng bán dẫn tiếp xúc điểm vào năm 1947, còn Shockley đã phát minh ra mối nối bóng bán dẫn vào năm 1948. Điều này báo trước sự xuất hiện của kỉ nguyên bóng bán dẫn.
- Năm 1946 máy tính ENIAC đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Mỹ với việc sử dụng 17468 ống chân không, 1500 rơ le, 10000 tụ điện, 70000 điện trở, có khối lượng 27 tấn và chiếm 167m2 diện tích sàn.
◊Sau khi được phát minh bởi Kilby
- Việc phát triển bóng bán dẫn được phát triển mạnh mẽ đến năm 1959 mạch tích hợp lưỡng cực (IC) được phát minh bở Kilby của Texas Instruments và Noyse của Fairchild Semiconductor ở Mỹ, phát minh này có tác động lớn đến lịch sử chất bán dẫn và nó đánh dấu buổi bình minh của kỷ nguyên vi mạch. Với kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ, IC được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị.
Hình ảnh máy vi tính đầu tiên trên thế giới ENIAC và máy tính hiện nay
- Năm 1967, Texas Instrument đã phát triển máy tính để bàn điện tử sử dụng IC, tiếp theo đó là các nhà sản xuất thiết bị đến từ Nhật Bản, “ cuộc chiến máy tính” khốc liệt tiếp tục diễn ra cho đến cuối những năm 1970.
- Việc tích hợp IC thậm chí còn tiến bộ hơn nữa và mạch tích hợp quy mô lớn (LSI) đã được phát triển, các công nghệ tiếp tục tiến bộ. VLSI ( từ 100 nghìn đến 10 triệu linh kiện điện tử trên mỗi chip) dược phát triển vào những năm 1980 và ULSI(hơn 10 triệu linh kiện điện tử trên mỗi chip) được phát triển vào những năm 1990.
- Vào những năm 2000, hệ thống LSI (LSI đa chức năng có nhiều chức năng được tích hợp trong một chip) đã được đưa vào sản xuất quy mô lớn. Khi IC tiến tới hiệu suất cao và nhiều chức năng, lĩnh vực ứng của nó ngày càng được mở rộng.
- Linh kiện bán dẫn được sử dụng rộng rãi ở mọi lĩnh vực trong xã hội và hỗ trợ cuộc sống hàng ngày.
6. Mạch tích hợp IC
- Mạch tích hợp IC là một thiết bị điện tử bao gồm nhiều thành phần chức năng như bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện…trên một miếng đế bán dẫn silicon và được đóng kín trong hộp có nhiều chân kết nối.
- Kích thước nhỏ nhất của các phần tử IC ở mức 10nanomet, cực kì nhỏ.
- Những chiếc radio bán dẫn ngày xưa bao gồm một mạch điện có lắp các bóng bán dẫn, điện trở, tụ điện và điốt rời rạc, được nối dây với nhau.
- IC hiện tại được tích hợp và thu nhỏ ở mức độ cao, kích thước khoảng 1/55000 và diện tích bằng 3 phần tỷ diện tích của radio bán dẫn ngày xưa.
- Nhờ khả năng tích hợp cao, các IC được tích hợp nhiều chức năng khác nhau đã nâng cao đáng kể hiệu suất của thiết bị điện tử.
- Trong quá trình sản xuất IC, nhiều IC được chế tạo trên một tấm wafer silicon và sau đó được cắt thành nhiều chip IC. Các chip IC được đóng kín trong các hộp vì chúng quá nhỏ để liên kết điện với bảng mạch in và cũng vì các chip IC sẽ bị hỏng nếu không được bảo vệ.
- Tùy thuộc vào số lượng thành phần, IC được phân loại là LSI (tích hợp quy mô lớn), VLSI (tích hợp quy mô rất lớn), ULSI (tích hợp quy mô cực lớn).
7. Thiết bị bán dẫn công suất
- Trong khi các thiết bị bán dẫn như CPU và LSI được sử dụng cho máy tính và bộ nhớ thì các thiết bị bán dẫn công suất được sử dụng để điều khiển và chuyển đổi điện năng.
- Nói đến thiết bị bán dẫn chúng ta thường nghĩ đến IC. Nhưng thiết bị bán dẫn công suất là thiết bị bán dẫn có thể hoạt động dưới dòng điện lớn, điện áp cao, trái ngược với IC.
- Ví dụ, mạch điện được gọi là biến tần điều khiển năng lượng điện để chạy động cơ được kết hợp với các thiết bị bán dẫn công suất gọi là Thyristor ngắt cổng (GTO) và bóng bán dẫn lưỡng cực cách điện (IGBT). Các thiết bị này bật/ tắt nguồn vài trăm lần đến vài chục nghìn lần mỗi dây.
◊Ứng dụng
- Biến tần được tích hợp IGBT và các thiết bị bán dẫn công suất khác được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như máy điều hòa không khí, tủ lạnh, tivi, lò vi song, nồi cơm điện…
- Trong những năm gần đây, thiết bị bán dẫn công suất dải rộng dựa trên SiC và GaN đã nhận được nhiều sự chú ý với tên gọi “ Thiết bị bán dẫn công suất thế hệ tiếp theo”. Vì các thiết bị bán dẫn công suất này có mức tổn thất điện năng thấp hơn đáng kể so với các thiết bị bán dẫn công suất dựa trên silicon nên các thiết bị bán dẫn công suất mới này có thể cải thiện hiệu suất cung cấp điện và giảm kích thước thiết bị.
- Các thiết bị bán dẫn công suất thế hệ tiếp theo đang được thương mại hóa dự kiến sẽ có những cải tiến hơn nữa về hiệu suất của cá sản phẩm điện tử công suất.
Còn tiếp….
Please follow and like us:
