Tìm hiểu sơ lược về chất bán dẫn

Tầm quan trọng của ngành công nghiệp bán dẫn trong đời sống

Sự phát triển của công nghệ hiện đại được thúc đẩy bởi ngành công nghiệp bán dẫn. Mọi thứ từ điện thoại di động đến tivi, máy tính đến thiết bị y tế tinh vi đều dựa vào chất bán dẫn.

Ngành công nghiệp bán dẫn hiện là một trong những ngành điện tử quan trọng nhất thế giới. Chất bán dẫn là nền tảng cho cuộc sống hiện đại. Những tấm bán dẫn và mạch điện cực kỳ phức tạp này cung cấp cho máy tính và các thiết bị điện tử của chúng ta khả năng xử lý dữ liệu, cho phép chúng ta giao tiếp với nhau, đồng thời thúc đẩy những tiến bộ trong giao thông vận tải, y học, hàng tiêu dùng và hầu như mọi ngành công nghiệp khác. 

Thực tế là không có lĩnh vực nào trong cuộc sống của chúng ta ngày nay không bị ảnh hưởng bởi công nghệ của chất bán dẫn. Tuy nhiên, nhiều người không biết nhiều về chất bán dẫn hoặc bản thân ngành công nghiệp chất bán dẫn. 

Tỷ trọng của ngành bán dẫn trên thế giới

Ước tính rằng vào năm 2020 có 932 tỷ con chip đã được sản xuất và bán trên toàn cầu. Con số đó đã tăng lên mức chưa từng có là 1,15 nghìn tỷ con chip được vận chuyển trên toàn thế giới vào năm 2021 khi các công ty tăng tốc độ sản xuất để đáp ứng tình trạng thiếu hụt vi mạch trên toàn thế giới do các vấn đề về chuỗi cung ứng và tác động của COVID-19.

Hơn 80% chất bán dẫn được sản xuất tại Châu Á. 92% chất bán dẫn tiên tiến nhất thế giới được sản xuất tại Đài Loan. Taiwan Semiconductor Manufacturing Limited (TSMC) là nhà sản xuất chất bán dẫn lớn nhất thế giới, nắm giữ 54% thị phần toàn cầu. Năm 2022, TSMC và các công ty con đã sản xuất hơn 15 triệu tấm bán dẫn. 

Doanh số bán chất bán dẫn đạt 466 tỷ đô la Mỹ vào năm 2020. Năm 2021, ngành này đạt doanh số 555,9 tỷ đô la Mỹ trên toàn thế giới. Đến cuối năm 2022, ngành bán dẫn đạt 574,1 tỷ đô la Mỹ. Ngành bán dẫn dự kiến ​​sẽ có tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 12,2% trong giai đoạn từ năm 2022 đến năm 2029. Điều này có nghĩa là các nhà phân tích dự kiến ​​ngành này sẽ có giá trị toàn cầu là 1.380,79 tỷ đô la Mỹ vào năm 2030.

Nước nhập khẩu chất bán dẫn lớn nhất thế giới là Trung Quốc, với Hoa Kỳ đứng thứ hai. Trung Quốc dựa vào chất bán dẫn để cung cấp năng lượng cho ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng khổng lồ của mình. Năm 2020, Trung Quốc đã chi nhiều tiền cho chất bán dẫn hơn là nhập khẩu dầu. Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn (SIA) báo cáo rằng vào năm 2022, Trung Quốc chiếm gần một phần ba tổng doanh số bán chất bán dẫn toàn cầu.

Mặc dù là quốc gia nhập khẩu chất bán dẫn lớn nhất thế giới, hơn 60% vi mạch nhập khẩu của Trung Quốc lại được dùng làm sản phẩm cho thị trường nước ngoài.

Tìm hiểu về chất bán dẫn

Bạn có thể nghĩ rằng với hàng nghìn tỷ chất bán dẫn trên thị trường thì sẽ có hàng trăm nếu không muốn nói là hàng nghìn biến thể. Không phải vậy. Trên thực tế, chỉ có hai loại chất bán dẫn chính: loại P và loại N.

Hai loại được phân loại dựa trên các thành phần có trong chất bán dẫn cùng với silicon. Các thành phần được gọi là 'tạp chất' và quá trình thêm chúng vào silicon được gọi là 'pha tạp'. Chất bán dẫn loại N được pha tạp một hoặc nhiều tạp chất như bismuth, asen hoặc antimon. Chất bán dẫn loại P được pha tạp boron hoặc indium.

Chất bán dẫn được sử dụng làm chip nhớ để lưu trữ dữ liệu, làm bộ vi xử lý sử dụng logic cơ bản để thực hiện tác vụ, làm chip tiêu chuẩn thực hiện tác vụ xử lý thông thường và làm hệ thống bán dẫn trên chip (SoC) phức tạp chứa tất cả các mạch điện tử cần thiết cho một thiết bị.

Vi mạch bán dẫn được đo bằng nanomet. Hầu hết các chip được sử dụng ngày nay có kích thước từ 11 đến 5 nanomet. Một nanomet bằng một phần tỷ mét, nhỏ hơn khoảng 1000 lần so với chiều rộng của một sợi tóc người.

IBM gần đây đã công bố rằng họ đã phát triển một vi mạch có kích thước hai nanomet chứa khoảng 50 tỷ bóng bán dẫn, khiến nó trở thành con chip mạnh nhất và nhỏ nhất từng được sản xuất.

Tuổi thọ trung bình dự kiến ​​của một vi mạch có trong sản phẩm tiêu dùng thông thường là khoảng hai đến năm năm, nhưng chip có thể tồn tại hơn 50 năm.

Tuy nhiên, với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô điện và nhu cầu ngày càng tăng đối với chip SoC cho mục đích y tế và công nghiệp, các nhà sản xuất hiện đang bị thúc đẩy để kéo dài đáng kể tuổi thọ của vi mạch để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn. Độ tin cậy và tuổi thọ cũng như kích thước giảm và công suất tăng hiện là mục tiêu chính của các nhà sản xuất chất bán dẫn.