Chất bán dẫn: vì sao silicon, thứ có sẵn trong cát, thống trị ngành chip | Viết bởi sonradio

Mỗi chiếc điện thoại hay laptop đều chứa hàng tỷ transistor khắc trên những lát silicon mỏng. Silicon là một chất bán dẫn, loại vật liệu dẫn điện kém hơn kim loại nhưng tốt hơn chất cách điện, và điều quan trọng nhất là khả năng dẫn điện của nó có thể điều khiển được. Chiếc transistor đầu tiên thậm chí không làm bằng silicon. Silicon thắng nhờ cả vật lý, hóa học lẫn giá thành.

Không hẳn dẫn điện, không hẳn cách điện

Trong kim loại như đồng, có rất nhiều electron tự do nên dòng điện chạy dễ dàng. Trong chất cách điện như thủy tinh, electron bị giữ chặt quanh nguyên tử. Chất bán dẫn nằm ở giữa: khi tinh khiết, nó dẫn điện kém, nhưng chỉ cần thêm nhiệt, ánh sáng hay một lượng rất nhỏ nguyên tố lạ là độ dẫn điện thay đổi hẳn.

Nguyên tử silicon có 4 electron ở lớp ngoài cùng và liên kết với 4 nguyên tử bên cạnh thành một mạng tinh thể đều đặn. Nếu thay một số rất ít nguyên tử silicon bằng phốt pho, vốn có 5 electron, electron thứ năm thừa ra và tự do di chuyển, tạo thành bán dẫn loại n. Nếu thay bằng bo, chỉ có 3 electron, mạng tinh thể bị thiếu một electron ở chỗ đó. Chỗ trống này gọi là lỗ trống, hoạt động như một điện tích dương, tạo thành bán dẫn loại p. Theo Wikipedia, tỷ lệ chỉ cỡ 1 nguyên tử tạp trên 100 triệu nguyên tử silicon đã đủ làm độ dẫn điện tăng lên rõ rệt.

Sơ đồ minh họa pha tạp silicon: thêm phốt pho tạo electron thừa (loại n), thêm bo tạo lỗ trống (loại p)

Khi vùng p và vùng n nằm sát nhau, chỗ tiếp giáp p-n chỉ cho dòng điện đi dễ dàng theo một chiều. Đây là nền tảng của điốt, transistor và pin mặt trời.

Transistor đầu tiên do John Bardeen và Walter Brattain chế tạo tại Bell Labs năm 1947 làm bằng germanium. Theo Bảo tàng Lịch sử Máy tính (Mỹ), germanium dễ gia công hơn silicon, nhưng transistor germanium bị rò điện lớn ở trạng thái tắt, điều tối kỵ với mạch logic máy tính, và chỉ chạy ổn trong khoảng 0 đến 70 °C. Linh kiện silicon hoạt động được từ -55 đến 125 °C, đổi lại cần vật liệu tinh khiết hơn nhiều.

Tháng 1/1954, nhà hóa học Morris Tanenbaum ở Bell Labs làm ra transistor silicon đầu tiên, nhưng Bell Labs không theo đuổi hướng này. Ngày 10/5/1954, Gordon Teal, người đã rời Bell Labs sang Texas Instruments, gây chấn động tại một hội nghị khi tuyên bố transistor silicon đã được sản xuất và bán ra. Đến cuối thập niên 1950, silicon đã trở thành vật liệu bán dẫn được cả ngành ưa chuộng.

Lợi thế lớn nhất của silicon lại nằm ở lớp oxit của nó. Năm 1955, Carl Frosch và Lincoln Derick ở Bell Labs tình cờ phát hiện có thể nuôi một lớp silicon dioxide (SiO2), cùng thành phần với thạch anh, ngay trên bề mặt silicon. Lớp này bám chắc, cách điện tốt và không tan trong nước. Oxit của germanium thì kém bền, và theo Wikipedia, đây là lý do chính khiến công nghệ dựa trên germanium thất bại.

Năm 1959, Jean Hoerni ở Fairchild Semiconductor giữ nguyên lớp oxit để che chắn các tiếp giáp p-n, thay vì gỡ bỏ như thông lệ thời đó. Quy trình planar của ông tạo ra transistor phẳng, bền và rò điện ít hơn hẳn. Cũng năm 1959, Robert Noyce dựa trên quy trình này để đăng ký sáng chế mạch tích hợp nguyên khối trên silicon, hướng đi thực tế hơn mạch của Jack Kilby vốn làm trên germanium.

Rẻ, nhiều và tinh khiết tới chín số 9

Silicon chiếm khoảng 28% khối lượng vỏ Trái Đất, chỉ sau oxy, và có sẵn trong cát, thạch anh. Germanium chỉ đứng thứ 50 về độ phổ biến. Năm 1998, silicon có giá dưới 10 USD mỗi kg, trong khi germanium gần 800 USD. Tuy vậy, silicon dùng làm chip phải đạt độ tinh khiết 99,9999999%, thường gọi là chín số 9. Nó được nấu chảy rồi kéo thành thỏi đơn tinh thể bằng phương pháp Czochralski, sau đó cắt thành những tấm wafer tròn đường kính tới 300 mm. Silicon còn dẫn nhiệt tốt, gấp khoảng 3 lần gali arsenua (GaAs), nên chịu được mật độ transistor dày đặc.

Thỏi silicon đơn tinh thể trưng bày tại Bảo tàng Khoáng vật học Munich (Đức). Những thỏi như vậy được cắt thành tấm wafer

Tấm wafer silicon đã khắc mạch, mỗi ô vuông nhỏ là một con chip. Màu cầu vồng do các cấu trúc mạch siêu nhỏ làm nhiễu xạ ánh sáng

GaAs là chất bán dẫn phổ biến thứ hai sau silicon. Nó cho electron chạy nhanh hơn và phát sáng hiệu quả, nên được dùng trong điốt laser, pin mặt trời và mạch vi ba tần số cao. Hãng siêu máy tính Cray từng đặt cược vào bộ xử lý GaAs, nhưng chỉ chế tạo được một máy Cray-3 rồi phá sản năm 1995. GaAs không có lớp oxit tự nhiên tốt như silicon và kém hơn ở khả năng dẫn lỗ trống, nên khó làm mạch CMOS tiết kiệm điện.

Vì thế, silicon vẫn giữ vai trò vật liệu chính cho bộ xử lý và bộ nhớ, còn các chất bán dẫn khác lo những việc chuyên biệt như phát sáng, sóng cao tần hay điện áp lớn. Giai đoạn từ cuối thế kỷ 20 đến nay vì thế còn được gọi là Thời đại Silicon, giống cách gọi Thời đại Đồ đồng hay Đồ sắt.

Nguồn: Wikipedia: Semiconductor , Wikipedia: Silicon , Computer History Museum: Silicon transistors 1954 , Computer History Museum: Planar process 1959 , Wikipedia: Germanium , Wikipedia: Gallium arsenid