Bán dẫn còn được gọi là “hạt gạo của ngành sản xuất” – cái tên đủ để nói lên vai trò vô cùng quan trọng của nó trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, với Việt Nam, nền công nghiệp bán dẫn là một khái niệm vô cùng xa xôi, và những tri thức cơ bản của nó còn quá xa tầm tay người Việt. Bài viết này, chỉ là một bài viết vô cùng cơ bản, giới thiệu qua cho độc giả của VietFuji một phần kiến thức đại chúng về bán dẫn.
Bán dẫn tại sao lại quan trọng ?
Chắc hẳn một số bộ phận lớn độc giả rất ít người biết về bán dẫn, ngoại trừ các sinh viên ngành điện – điện tử. Nếu mất một chút thời gian, chúng ta có thể tìm thấy định nghĩa của bán dẫn trên từ điển trực tuyến Wikipedia Việt Nam. Bán dẫn là từ chỉ các vật chất mang đặc tính truyền điện đặc biệt. Chúng ta có các chất dẫn điện như kim loại, có khả năng truyền điện rất tốt. Chúng ta có các chất không truyền điện, ví như các chất liệu tổng hợp được dùng làm vỏ dây điện, hay gần gũi hơn là gỗ. Còn chất bán dẫn mang tính chất trung gian giữa chúng, tức trong một điều kiện nào đó sẽ truyền điện, và trong một điều kiện nào đó sẽ không truyền điện.
Vậy, tại sao tính chất đặc biệt “nửa nạc nửa mỡ” của chất bán dẫn lại quan trọng tới như vậy ?
Chúng ta cùng nhìn lại cuộc sống của chúng ta. Cuộc sống của chúng ta đã thay đổi rất nhiều từ khi có bán dẫn.
Trong điện thoại hàng ngày chúng ta dùng, trong chiếc máy vi tính trên trường đại học, trong chiếc ti vi ở nhà, …. chúng đều hoạt động nhờ bán dẫn. Bán dẫn đóng vai trò rất quan trọng, bởi vì nó đóng vai trò tái hiện cuộc sống thực trong thế giới của những con số – thế giới vô hình.
Câu chuyện về những con số
Trong thế giới thực, chúng ta có các con số từ 0 đến 9. Các hoạt động sinh hoạt của chúng ta đều gắn với các con số. Ví dụ như tôi cao 1m74, cân nặng 64 kg… Các con số là không thể thiếu trong cuộc sống thực của con người.
Đó là trong thế giới thực, còn tròn thế giới của máy móc, chỉ có 2 con số mà máy móc có thể phân biệt, đó là 0 và 1. Đó chính là hệ nhị phân. Và một điều kỳ diệu thay, tất cả các thông tin trong cuộc sống thực, đều có thể được biểu diễn bằng hệ nhị phân.
Bạn nghe một bản nhạc của Mỹ Tâm dưới định dạng .mp3, đó là biểu hiện gần gũi nhất của hệ nhị phân trong thế giới số. Hay, chính bài báo mà bạn đang đọc – nó cũng được lưu trữ dưới dạng các con số 0 và 1.
Chúng ta cùng biểu diễn một số con số trong hệ thập phân sang hệ nhị phân nhé:
Số 4 trong hệ thâp phân được biểu diễn dưới dạng hệ nhị phân là 100. (4=1*2^2+0*2^1+0*2^0)
Số 7 trong hệ thập phân được biểu diễn dưới dạng hệ nhị phân là 111. (7=1*2^2+1*2^1+1*2^0)
Con người có thể phân biệt hệ thập phân, nhưng máy móc chỉ có thể phân biệt hệ nhị phân. Vậy, máy móc phân biệt hệ nhị phân như thế nào ?
Câu chuyện về switch device
Máy móc phân biệt hệ nhị phân, bằng cách gán chúng thành 2 trạng thái. 1 là trạng thái dòng điện đi qua, hay switch on và 0 là trạng thái dòng điện không đi qua, hay trạng thái switch off.
Vậy, với một con số thập phân, chúng ta có thể biểu diễn số 4 bằng 1 lần ON, 1 lần OFF và 1 lần OFF để truyền đi dữ liệu này. Với số 7, chúng ta có thể biểu diễn nó bằng 1 lần ON, 1 lần ON và 1 lần ON để truyền đi dữ liệu này.
Vậy bán dẫn đóng vai trò gì ?
Bán dẫn đóng vai trò là chất liệu để tạo nên những switch này trong các thiết bị điện tử của bạn.
Ví dụ, một device đơn giản nhất của bán dẫn đó là diode. Diode là một device được tạo bởi việc ghép chất bán dẫn có loại p và bán dẫn loại n vào với nhau.
Chưa vội giải thích chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p là gì, chúng ta hãy đi vào đặc tính I-V (cường độ dòng điện so với điện áp) của nó. Nếu điện áp tại hai đầu diode là nhỏ hơn Vo, diode sẽ không cho dòng điện đi qua, chỉ khi điện áp 2 đầu của diode lớn hơn V0 mới cho phép dòng điện đi qua. Tuy nhiên, nếu điện áp được đưa vào diode theo chiều ngược lại tới hạn, tức đạt tới breakdown voltage (thường thì breakdown voltage >>V0) thì diode sẽ bị hỏng và cho dòng điện đi qua.
Vậy, chỉ với 1 diode đơn giản, chúng ta đã có thể tái hiện được hệ nhị phân. Diode cũng có rất nhiều ứng dụng khác. Một ví dụ cũng rất gần gũi của diode trong cuộc sống chúng ta, máy thổi gió cho các bếp than tổ ong, chúng sử dụng 1 motor điện, 1 bộ chuyển dòng xoay chiều thành 1 chiều và 1 biến áp. Điện áp gia đình là xoay chiều, 220 V, được hạ xuống phù hợp với điện áp định mức của motor điện, và bộ chuyển dòng cho phép biến dòng xoay chiều đó thành dòng một chiều dùng cho motor (loại motor thông thưởng chỉ sử dụng dùng 1 chiều).
Một device điện tử vô cùng quan trọng nữa đó là transistor. Bạn có biết rằng, nếu không có transistor thì chiếc máy tính mà bạn đang dùng sẽ to bằng một tòa nhà, và nặng trên 30 tấn, tốn hết 150kW điện cho 1 giờ, và cứ trung bình 1 giờ, bạn phải đem nó ra tiệm để sửa hay không ?
Vâng, đó là những đặc điểm của chiếc máy vi tính đầu tiên của loài người, chiếc máy ENIAC. Bởi vì nó không sử dụng transistor bán dẫn, mà sử dụng đèn chân không để thực hiện việc tái hiện hệ nhị phân và tính toán. ENIAC sử dụng 18.800 bóng chân không, có tốc độ tính toán chưa tới 0.05 MIPs. (1 MIPS tức có thể sử lý 100 vạn mệnh lệnh trong 1 giây), trong khi đó, với công nghệ vượt bậc của bán dẫn, chúng ta có những chiếc máy tính cỡ chỉ bằng một quyển số A4, và ngay cả những chiếc điện thoại cầm tay hiện đại cũng có tốc độ xử lý hơn ENIAC rất nhiều lần. Đơn cử, máy tính dùng vi xử lý Core 2 đơn nhân của Intel có tốc độ xử lý 12500 MIPS.
Bán dẫn đóng vai trò quan trọng, chính bởi vì có sử dụng bán dẫn cho ta tốc độ xử lý vượt trội như vậy. Hơn nữa, sự tin cậy cao, kích thước nhỏ bé và tiêu hao ít năng lượng.
Cuộc sống hiện đại không thể nào thiếu chất bán dẫn.
Nguyễn Xuân Truyền
Doanh nghiệp vừa và nhỏ đang tập trung vào vật liệu bán dẫn thì nước ta vẫn đang loay hoay quanh xuất khẩu thô, nhập máy móc.
khá sắc sảo song cần kiểm chứng lại các dữ liệu thông tin trong bài.