Vì sao silicon được dùng trong linh kiện điện tử?

Bạn sẽ học được gì

• Nêu những tính chất khiến một chất bán dẫn thích hợp với điện tử.
• Giải thích đường đi từ cát đến tinh thể silicon dùng được.
• So sánh silicon với vật liệu bán dẫn khác và nhận ra giới hạn của nó.

Cần biết trước

Bài này nên đọc sau bài về chất bán dẫn, nhưng các thuật ngữ vẫn được giải thích khi xuất hiện.

Điện tử cần gì ở một chất bán dẫn?

Điện tử cần một vật liệu mà ta điều khiển được việc dẫn hay cản dòng điện. Chất bán dẫn làm được điều đó. Chữ “bán” nghĩa là độ dẫn điện thấp hơn kim loại nhưng cao hơn vật cách điện.

Phần lớn bán dẫn làm từ tinh thể, thường là silicon. Nguyên tố dẫn điện thông dụng có một electron ở lớp ngoài cùng, còn bán dẫn có bốn. Chi tiết này, cùng các yếu tố khác, làm tinh thể silicon thích hợp để điều khiển dòng điện.

Điều khiển bằng cách nào? Bằng pha tạp: cố ý đưa nguyên tử tạp chất vào tinh thể để thay đổi tính chất điện, làm vật liệu dẫn điện nhiều hơn hoặc ít hơn. Silicon cho phép chỉnh như vậy, nên linh kiện làm từ nó bật hoặc tắt được theo ý người thiết kế.

Vì sao silicon dễ có và rẻ?

Silicon là nguyên tố dồi dào, có trong cát, nên nguyên liệu rẻ. Nhưng cát chưa dùng được. Silicon phải qua quá trình tinh chế hóa học rồi mới thành silicon tinh thể và dẫn điện được.

Điểm này quan trọng khi so sánh. Một vật liệu hay về mặt điện nhưng khó kiếm hoặc đắt vẫn khó dùng đại trà. Với silicon, nguyên liệu phổ biến, có trong cát, giúp giữ chi phí thấp.

Từ tinh thể đến wafer và sản phẩm ra sao?

Silicon tinh thể được cắt thành tấm mỏng gọi là wafer. Wafer silicon là loại phổ biến nhất trong chế tạo vi mạch. Cùng nguyên tắc ấy được dùng cho pin mặt trời: khối silicon tinh thể được cắt thành wafer rất mỏng rồi xử lý thành tế bào quang điện.

Cũng nhờ vậy, một vật liệu phục vụ hai loại sản phẩm. Khoảng 95% tấm pin mặt trời trên thị trường dùng silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Silicon còn là bán dẫn chính của phần lớn thiết bị điện tử.

Silicon không phải lựa chọn duy nhất. Wafer cũng có thể làm từ gallium arsenide, silicon carbide hay germanium. Chip tần số vô tuyến kết hợp gallium arsenide, gallium nitride và silicon để chạy ở tần số cao hơn. Pin mặt trời silicon có giới hạn lý thuyết hiệu suất khoảng 32%, một đánh đổi của vật liệu.

Ví dụ trong đời sống

Hãy so sánh một tấm pin mặt trời trên mái nhà với chip trong điện thoại. Cả hai đều bắt đầu từ cát đã tinh chế thành tinh thể silicon. Cả hai đều dùng wafer cắt mỏng từ tinh thể.

Điểm khác nằm ở phần xử lý tiếp theo. Wafer của pin được xử lý thành tế bào quang điện, còn wafer của chip được tạo mạch. Cùng một vật liệu, hai công dụng, nhờ cách xử lý khác nhau.

Hiểu lầm thường gặp

Silicon không phải là cát. Cát chứa silicon, nhưng cần tinh chế hóa học trước khi thành tinh thể dẫn điện được.

Silicon không phải bán dẫn duy nhất. Germanium, gallium arsenide, gallium nitride và silicon carbide cũng được dùng, tùy mục đích.

Wafer là dạng của vật liệu, chưa phải sản phẩm. Từ cùng một loại wafer có thể ra chip hoặc tế bào pin mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

Silicon có trong cát thật không?

Có. Silicon có trong cát, nhưng phải tinh chế hóa học rồi mới thành silicon tinh thể dùng được.

Vì sao chip dùng wafer silicon?

Wafer silicon là loại phổ biến nhất. Silicon là bán dẫn thường dùng, có thể pha tạp để chỉnh tính chất điện.

Silicon có giới hạn gì không?

Có. Với pin mặt trời, hiệu suất lý thuyết tối đa của tế bào silicon khoảng 32%. Một số mạch tần số vô tuyến còn cần gallium arsenide hoặc gallium nitride.

Tóm tắt

• Silicon là bán dẫn có thể pha tạp để điều chỉnh tính dẫn điện.
• Nó dồi dào trong cát nhưng cần tinh chế thành tinh thể.
• Wafer silicon phục vụ cả chip lẫn pin mặt trời, dù có vật liệu khác cho nhu cầu riêng.