Trong lĩnh vực bán dẫn, hiện nay chúng ta đang thảo luận rất nhiều về vật liệu, thiết bị, đầu tư, v.v. Mỗi chủ đề đều có một trọng tâm khác nhau. Vật liệu ở đây không gì khác ngoài các vật liệu bán dẫn có dải năng lượng rộng thế hệ thứ ba; các thiết bị chủ yếu là MOS, HEML, v.v. dựa trên vật liệu WBG, mà chúng ta đã đề cập trước đó; tôi sẽ không đi sâu vào chi tiết về đầu tư, xu hướng ngành, thông tin doanh nghiệp, thị trường chứng khoán, v.v. Hôm nay chúng ta sẽ nói về lịch sử của ngành công nghiệp bán dẫn và tìm hiểu về nguồn gốc của ngành công nghiệp này.    
           

Các bóng đèn chân không ba cực "gây rắc rối"

Nhắc đến đèn chân không ba cực, nó được Lee Deforest phát minh vào năm 1906, tạo tiền đề cho sự ra đời của các thiết bị điện tử tiêu dùng như radio và tivi. Nó cũng là bộ não của chiếc máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới. Nó chiếm diện tích gần 140 mét vuông và nặng 30 tấn. Nó sử dụng gần 19,000 bóng chân không và hàng ngàn điện trở và tụ điện. Đèn chân không ba cực bao gồm một lưới và hai điện cực được ngăn cách bởi lưới trong một không gian kín bằng thủy tinh. Bên trong không gian kín này là chân không, giúp ngăn các linh kiện bị cháy và tạo điều kiện cho sự chuyển động tự do của các electron.  
   
Nó có hai chức năng chính: chuyển mạch và khuếch đại. Chuyển mạch nghĩa là bật và tắt dòng điện, còn khuếch đại nghĩa là khuếch đại dòng điện hoặc tín hiệu nhỏ trong khi vẫn duy trì các đặc tính ban đầu của tín hiệu. Tuy nhiên, nó có một loạt nhược điểm, chẳng hạn như kích thước lớn, dễ bị lỏng kết nối, tuổi thọ ngắn và nhanh lão hóa.  
Những thiếu sót này đã dẫn đến sự phát triển hoặc thay thế không thể tránh khỏi của nó. Năm 1949, John Bardeen, Walter Brattin và William Shockley thuộc Bell Labs đã phát minh ra bộ khuếch đại điện tử làm từ vật liệu bán dẫn germanium, đây là transistor thế hệ đầu tiên (ba nhà khoa học này đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1956). Transistor ban đầu được gọi là "điện trở truyền dẫn" và sau đó được đổi tên thành transistor.  
   
Loại transistor này bao gồm các chức năng của ống chân không, và là transistor bán dẫn, không cần chân không, có ưu điểm là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, tiêu thụ điện năng thấp và tuổi thọ cao. Từ đó, chúng ta đã bước vào "kỷ nguyên bán dẫn", và đó là điều chúng ta thấy nhiều nhất cho đến nay.  
Sự phát triển từ transistor đầu tiên đến nhiều thiết bị điện tử công suất hiện nay đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử công suất. Các thiết bị này thường được gọi là các thiết bị rời rạc, nghĩa là mỗi chip chỉ chứa một linh kiện duy nhất. Một thiết bị liên quan đến bán dẫn khác mà chúng ta chưa đề cập trước đây là mạch tích hợp.      
       

con chíp điện tử

Mạch tích hợp (Integrated circuit) là một thiết bị vi điện tử sử dụng một quy trình nhất định để kết nối các transistor, điện trở, tụ điện, cuộn cảm và các linh kiện khác cùng dây dẫn cần thiết trong một mạch trên chất nền bán dẫn, sau đó được bao bọc trong một lớp vỏ dạng ống để tạo thành một cấu trúc vi mô với các chức năng mạch cần thiết.  
Mạch tích hợp đầu tiên được phát minh bởi Jack Kilby của Texas Instruments, nhưng nó không có hình dạng như mạch tích hợp ngày nay.  
Ban đầu, các linh kiện được kết nối bằng các dây dẫn riêng biệt, nhưng trước đó Jean Horni của Fairchild Camera đã phát triển một quy trình sản xuất phẳng tạo ra các mối nối điện tử trên bề mặt chip để chế tạo bóng bán dẫn, tận dụng ưu điểm dễ tạo oxit silic cách điện của silicon. Sau đó, Robert Noyce đã áp dụng công nghệ này để kết nối các thiết bị rời rạc được tạo sẵn trên bề mặt silicon, cuối cùng tạo thành mô hình được sử dụng bởi tất cả các mạch tích hợp.  
         

Kỹ thuật chế tác và xu hướng

Từ năm 1947, ngành công nghiệp bán dẫn đã bắt đầu cải tiến và phát triển về công nghệ, và vẫn đang tiếp tục phát triển cho đến ngày nay. Những cải tiến trong quy trình có thể được chia thành hai loại: quy trình và cấu trúc.  
Cải tiến quy trình: Sản xuất các thiết bị và mạch điện với kích thước nhỏ hơn, cho phép chúng có mật độ cao hơn, số lượng nhiều hơn và độ tin cậy cao hơn.  
Cải tiến về cấu trúc: Những phát minh trong thiết kế thiết bị mới cho phép hiệu suất tốt hơn, kiểm soát tiêu thụ năng lượng tốt hơn và độ tin cậy cao hơn.  
Những tác động do hai cải tiến này mang lại có thể được hiểu rõ từ lịch sử phát triển của nhiều thế hệ IGBT. Tất nhiên, nhiều yếu tố mà chúng ta đã đề cập trước đó, chẳng hạn như một số lỗi trong quy trình sản xuất thiết bị, v.v., có thể là do những cải tiến trong quy trình.  
Kích thước và số lượng linh kiện trong mạch tích hợp là hai dấu hiệu phổ biến của sự phát triển mạch tích hợp. Kích thước của linh kiện được thể hiện bằng kích thước nhỏ nhất trong thiết kế, mà chúng ta gọi là kích thước mẫu đặc trưng. Sự phát triển từ các mạch tích hợp quy mô nhỏ đến các chip hàng triệu chiếc ngày nay đã được hưởng lợi từ việc giảm kích thước mẫu đặc trưng của một linh kiện đơn lẻ, nhờ vào sự cải tiến vượt bậc của quy trình tạo mẫu bằng máy quang khắc và công nghệ dây dẫn đa lớp. Điều này cũng được thảo luận rất nhiều hiện nay, chẳng hạn như chip 22nm, 10nm hoặc thậm chí 7nm, v.v. Một cách diễn đạt chuyên nghiệp hơn là chiều rộng cổng, tức là chúng ta kiểm soát chiều rộng của một phần cổng. Các bóng bán dẫn nhỏ hơn và nhanh hơn cũng như các mạch có mật độ cao hơn được hưởng lợi từ chiều rộng cổng nhỏ hơn. Nói về điều này, tôi phải đề cập đến thuật ngữ "Định luật Moore" mà tôi thường thấy cách đây không lâu. Gordon Moore, một trong những người sáng lập Intel, đã dự đoán vào năm 1965 rằng số lượng bóng bán dẫn trên một chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng. Sau nhiều năm kiểm chứng thực tế, tỷ lệ này tương đối chính xác và đã trở thành cơ sở để dự đoán mật độ bóng bán dẫn trên chip trong tương lai. Dựa trên số lượng thiết bị trong mạch, tức là mức độ tích hợp, chúng ta có thể chia nó thành nhiều cấp độ: tích hợp quy mô nhỏ (SSI): 2~50 đơn vị/chip; tích hợp quy mô trung bình (MSI): 50~5000 đơn vị/chip; tích hợp quy mô lớn (LSI): 5000~100000 linh kiện/chip; tích hợp quy mô rất lớn (VLSI): 100000~1000000 linh kiện/chip; tích hợp quy mô cực lớn (ULSI): >1000000 linh kiện/chip.  
Định luật Moore không phát triển vô hạn theo thời gian. Nó chủ yếu bị giới hạn bởi những hạn chế của vật liệu bán dẫn và quy trình chế tạo. Do đó, chúng ta sẽ nghe tin tức rằng vật liệu bán dẫn silicon đang tiến gần đến giới hạn của nó. Vì vậy, cần thiết phải phát triển các vật liệu mới và liên tục cải tiến thiết bị và thiết kế.  
         

Kích thước chip và tấm bán dẫn

Chúng ta đều biết rằng chip được sản xuất trên các tấm silicon mỏng hoặc các vật liệu bán dẫn khác gọi là wafer.  
 
Việc sản xuất chip hình chữ nhật trên đế wafer hình tròn dẫn đến việc còn lại một số vùng không sử dụng được ở rìa wafer. Khi kích thước chip lớn hơn, các vùng không sử dụng được này cũng sẽ lớn hơn, vì vậy người ta dần dần sử dụng các đế wafer có kích thước lớn hơn, điều này giúp "giảm" kích thước chip một cách gián tiếp, đồng thời cải thiện hiệu quả sản xuất và sản lượng. Đây là một trong những lý do tại sao kích thước wafer đã thay đổi từ 6 inch lên 8 inch và hiện nay là 12 inch.  
Ngày nay, kích thước chip ngày càng nhỏ hơn, chi phí ngày càng thấp hơn, trong khi hiệu năng ngày càng cao hơn. Điều này là nhờ những cải tiến trong quy trình sản xuất và phát triển thiết bị mà chúng ta đã đề cập ở trên, đồng thời cũng dẫn đến sự cạnh tranh ngày càng gay gắt trong ngành công nghiệp bán dẫn.  
Hiện nay, có khoảng ba loại nhà sản xuất chính: nhà sản xuất thiết bị tích hợp (IDM): tích hợp thiết kế, sản xuất, đóng gói và bán hàng; Xưởng đúc (Foundry): các nhà cung cấp chip khác sản xuất chip; Nhà máy không sở hữu nhà máy (Fabless): chỉ chịu trách nhiệm thiết kế và bán chip, hầu hết các khâu khác được thuê ngoài. Tất nhiên, còn có các mô hình xen kẽ khác. Đồng thời, xu hướng nội địa hóa chất bán dẫn đã dẫn đến sự xuất hiện ngày càng nhiều nhà sản xuất chất bán dẫn trong nước và mô hình doanh nghiệp đa dạng hơn.  
         

viết ở cuối

Hiện tại, việc nội địa hóa ngành công nghiệp bán dẫn đang là xu hướng, và điều này không chỉ phụ thuộc vào số lượng các công ty trong nước mà còn phụ thuộc vào việc bao nhiêu công ty có thể tồn tại trong môi trường đầy biến động này. Tóm lại, nếu bạn có thời gian để đón gió và đón sóng, hãy giương buồm và dong buồm ra khơi!