TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ
---o0o---
TIỂU LUẬN HỌC PHẦN
VẬT LÝ 3
Vật liệu bán dẫn và công nghệ chế tạo vi mạch
Nhóm: 7TL
SV 1: Đặng Lê Bi
MSSV: 23154011
SV 2: Hoàng Thành Luân
MSSV: 23154055
SV 3: Đặng Hoài Duy Khang
MSSV: 23154044
SV 4: Bùi Xuân Phú
MSSV: 23154076
SV 5: Trần Thiên Phú
MSSV: 23154077
SV 6: Võ Đông Phát
MSSV: 23154073
GV phụ trách môn học: Trần Thị Khánh Chi
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2025
TÓM TẮT
Nhằm thảo luận về vai trò của vật liệu bán dẫn và chế tạo vi mạch, bài tiểu luận
được nhóm đưa ra sau quá trình tìm hiểu. Nội dung của bài tiểu luận bao gồm về cấu tạo,
cách hình thành, điều kiện hoạt động của chất bán dẫn, cũng như bản chất của vật liệu
bán dẫn. Tiểu luận nêu rõ được vai trò của từng loại vật liệu bán dẫn thông qua phân loại
PNP, NPN, bán dẫn pha tạp... Tất cả đều là nền tảng của ngành chế tạo vi mạch và là “gốc
rễ” của các ngành liên quan đến điện tử.
Tiểu luận cũng trình bày về chế tạo vi mạch là một dạng thực tiễn hơn của vật liệu
bán dẫn. Chương 3 trình bày cách chế tạo, nguyên liệu, ứng dụng của vi mạch trong tưng
ngành cụ thể. Các kỹ thuật cơ bản trong chế tạo vi mạch và nhưng lưu ý quan trọng với
từng loại và tùy vào mục đích sử dụng.
Cuối cùng, tiểu luận đề cập tới ưu điểm và thách thức của ngành chế tạo vi mạch
nhằm đưa ra hướng phát triển phù hợp bao gồm thực trạng và tiềm năng của ngành vi
mạch trong tương lai. Ngoài ra tiểu luận còn xem xét nhưng ưu thế và hạn chế khi phát
triển ngành vi mạch ở việt nam
Nhóm thực hiện
Nguyễn Công Luận
Hoàng Thành Luân
Đặng Hoài Duy Khang
Bùi Xuân Phú
Trần Thiên Phú
Võ Đông Phát
MỤC LỤC
TRANG BÌA
TÓM TẮT
DANH MỤC VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH ẢNH
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 1
1.3 Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.4 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................... 3
2.1. Cấu trúc của chất bán dẫn............................................................................ 3
2.1.1. Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn .................................................... 3
2.1.2. Cấu trúc mạng tinh thể kiểu kim cương .............................................. 4
2.2. Tính chất của chất bán dẫn ……………………………………………….6
2.2.1. Tính chất cơ bản ..................................................................................... 6
2.2.2. Tính chất đặc biệt ................................................................................... 7
2.3 Vật liệu bán dẫn .............................................................................................. 9
2.3.1. Khái niệm và bản chất ........................................................................... 9
2.3.2. Các tiêu chí lựa chọn vật liệu bán dẫn.................................................. 9
2.4. Phân loại vật liệu bán dẫn .......................................................................... 10
2.4.1. Bán dẫn tinh khiết ................................................................................ 11
2.4.1.1 Tính dẫn điện của electron tự do và lỗ trống.................................... 13
2.4.2. Bán dẫn pha tạp .................................................................................... 15
2.4.2.1 Vật liệu bán dẫn loại N:.................................................................... 15
2.4.2.2 Vật liệu bán dẫn loại P: .................................................................... 17
2.4.2.3 Sự khác biệt giữa bán dẫn loại P và N: ............................................ 19
2.4.3. Ứng dụng trong đời sống hằng ngày................................................... 19
2.5 Vật liệu bán dẫn tiên tiến ............................................................................. 21
2.5.1 Phân loại vật liệu bán dẫn tiên tiến ..................................................... 22
2.5.1.1 Vật liệu bán dẫn hợp chất III-V........................................................ 22
2.5.1.2 Vật liệu Nitride: GaN, AlGaN.......................................................... 24
2.1.5.3 Vật liệu bán dẫn oxide (Oxide Semiconductors) ............................. 26
2.1.5.4 Vật liệu SiGe và SOI (Silicon on Insulator) ..................................... 27
2.1.5.4.1 SiGe ........................................................................................... 27
2.1.5.4.2 SOI............................................................................................. 28
2.5.2 Thách thức trong việc phát triển và ứng dụng vật liệu bán dẫn tiên
tiến ............................................................................................................................... 29
2.5.2.1 Về công nghệ chế tạo và kiểm soát vật liệu ..................................... 29
2.5.2.2 Về chi phí và khả năng thương mại hóa ........................................... 30
2.5.2.3 Yêu cầu tiêu chuẩn hóa và khả năng tích hợp .................................. 31
2.5.3 Hướng phát triển của vật liệu bán dẫn tiên tiến................................. 31
2.5.3.1 Tích hợp dị thể (heterogeneous integration) .................................... 31
2.5.3.2 Công nghệ bán dẫn nhiệt độ thấp và vật liệu mới ............................ 31
2.5.3.3 Phát triển vật liệu thay thế Si trong các thế hệ hậu CMOS .............. 32
CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG ................................................. 32
3.1. Tổng quan quy trình chế tạo vi mạch ........................................................ 32
3.2. Các phương pháp chế tạo IC ...................................................................... 33
3.2.1. Phương pháp CZ (Czochralski – đơn tinh thể silicon) ..................... 33
3.2.1.1. Nguyên lý CZ .................................................................................. 33
3.2.1.2. Thiết bị và quy trình tạo phôi tinh thể ............................................. 33
3.2.1.3. Ưu và nhược điểm ........................................................................... 34
3.2.1.4. Ứng dụng trong sản xuất wafer silicon ........................................... 35
3.2.2. Kỹ thuật epitaxy (MBE, MOCVD) ..................................................... 35
3.2.2.1. Khái niệm epitaxy Epitaxy là quá trình lắng đọng màng mỏng đơn
tinh thể lên chất nền, sao cho lớp màng kế thừa cấu trúc tinh thể của chất nền, đảm
bảo độ tinh khiết và tính chất bán dẫn cao. ............................................................. 35
3.2.2.2. Kỹ thuật MBE (Molecular Beam Epitaxy) ..................................... 35
3.2.2.3. Kỹ thuật MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) .. 36
3.2.2.4. So sánh MBE và MOCVD .............................................................. 36
3.2.2.5. Ứng dụng epitaxy trong chế tạo lớp bán dẫn tinh khiết .................. 36
3.2.3. Công nghệ màng mỏng (PVD, CVD) .................................................. 37
3.2.3.1. Khái niệm màng mỏng .................................................................... 37
3.2.3.2. Kỹ thuật PVD (Physical Vapor Deposition) ................................... 37
3.2.3.3. Kỹ thuật CVD (Chemical Vapor Deposition) ................................. 37
3.2.3.4. So sánh PVD và CVD ..................................................................... 38
3.2.3.5. Vai trò của màng mỏng trong chế tạo lớp dẫn, cách điện ............... 38
3.3.1. Thiết kế vi mạch (IC Design) ............................................................... 39
3.3.1.1. Thiết kế logic (RTL Design) ........................................................... 39
3.3.1.2. Thiết kế vật lý (Physical Design) .................................................... 40
3.3.1.3. DRC/LVS – Kiểm tra quy tắc thiết kế ............................................ 41
3.4 Ứng dụng của vi mạch bán dẫn trong đời sống và công nghiệp .............. 43
3.4.1 Nền tảng công nghệ từ vi mạch bán dẫn ............................................. 43
3.4.2 Ứng dụng vi mạch bán dẫn................................................................... 44
3.4.2.1 Trong điện tử tiêu dùng .................................................................... 44
3.4.2.2 Trong ô tô và phương tiện giao thông thông minh........................... 46
3.4.2.3 Trong lĩnh vực y tế ........................................................................... 47
3.4.2.4 Trong công nghiệp và sản xuất thông minh ..................................... 49
3.4.2.5 Trong quốc phòng và hàng không vũ trụ ......................................... 50
3.4.3 Vai trò vật liệu bán dẫn trong hiệu suất và tiết kiệm năng lượng .... 52
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................ 53
4.1. Định hướng phát triển vật liệu bán dẫn và công nghệ chế tạo vi mạch tại
Việt Nam ......................................................................................................................... 53
4.1.1 Thực trạng và tiềm năng phát triển..................................................... 53
4.1.2 Ưu điểm của Việt Nam trong phát triển công nghiệp bán dẫn ......... 53
4.1.3 Nhược điểm và thách thức .................................................................... 54
4.2 Kết luận ......................................................................................................... 54
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện Kỹ sư Điện và Điện tử.
ECG (Electrocardiogram): Điện âm đồ
MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition): Phương pháp lắng đọng hơi hóa
học sử dụng hợp chất kim loại hữu cơ.
FSM (Finite State
...
--------------------------------------
...mạch sử dụng trong vệ tinh hoặc tàu vũ trụ phải chống chịu được
tia vũ trụ và dao động nhiệt độ từ -150°C đến +150°C. Do đó, vật liệu bán dẫn truyền
thống như silicon thường không đáp ứng đủ yêu cầu. Thay vào đó, GaAs (Gallium
Arsenide), InP (Indium Phosphide) và đặc biệt là SiC (Silicon Carbide) và GaN (Gallium
50
Nitride) được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị có độ tin cậy cao và khả năng chống bức
xạ tốt (Neudeck & Okojie, 2002)[13].
Hình 3.15. Biểu đồ so sánh giữa các vật liệu bán dẫn như GaAs và GaN trong hệ thống vệ tinh, minh hoạ hiệu
suất và khả năng chống bức xạ của GaN.
Ví dụ, trong hệ thống radar mảng pha chủ động (AESA) trên máy bay chiến đấu như F35, các vi mạch tần số cao làm từ GaN cho phép phát xạ công suất lớn ở dải tần 8–18
GHz, giúp radar có thể quét nhanh, chính xác và phát hiện mục tiêu ở khoảng cách xa
hơn so với thế hệ trước dùng GaAs (Cheng & Mishra, 2017). GaN có ưu điểm là dải
cấm rộng (3.4 eV), điện trường phá vỡ lớn và dẫn nhiệt tốt tất cả đều phù hợp cho các
ứng dụng cao tần và công suất lớn trong môi trường quân sự.
Ngoài ra, trong hệ thống định vị, dẫn đường và kiểm soát hỏa lực của tên lửa, các vi
mạch xử lý tín hiệu thời gian thực (DSP) đóng vai trò then chốt. Những chip này được
sản xuất theo tiêu chuẩn radiation-hardened (Rad-Hard) trên nền vật liệu silicon SOI
(Silicon-on-Insulator), có khả năng hoạt động bền bỉ trong điều kiện phóng xạ mạnh
ngoài không gian.
Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ dân sự, các hệ thống kiểm soát bay tự động, cảm biến
áp suất không khí, cảm biến lực quán tính (IMU) đều sử dụng vi mạch MEMS làm từ
silicon, có khả năng hoạt động chính xác trong rung động và điều kiện môi trường cực
đoan của chuyến bay.
Một ví dụ cụ thể là vệ tinh Starlink của SpaceX: mỗi vệ tinh có hàng trăm vi mạch tích
hợp, từ vi xử lý điều khiển quỹ đạo đến các mạch thu phát tín hiệu vi ba tần số cao, sử
51
dụng vật liệu bán dẫn GaAs và GaN để đảm bảo truyền tín hiệu ổn định từ không gian
về mặt đất.
Như vậy, trong ngành quốc phòng và hàng không vũ trụ nơi không thể chấp nhận lỗi vi
mạch thì việc lựa chọn vật liệu bán dẫn đặc biệt (GaAs, GaN, SiC, SOI) là yếu tố then
chốt quyết định sự sống còn của hệ thống. Công nghệ vi mạch trong lĩnh vực này không
chỉ đòi hỏi độ chính xác và hiệu suất cao mà còn phải hoạt động ổn định trong môi
trường thách thức nhất mà con người từng biết đến.
3.4.3 Vai trò của vật liệu bán dẫn trong hiệu suất và tiết kiệm năng lượng
Hiệu suất và khả năng tiết kiệm năng lượng là những yếu tố sống còn trong thiết kế vi
mạch hiện đại. Trong đó, vật liệu bán dẫn đóng vai trò quyết định trong việc nâng cao
hiệu suất hoạt động, giảm tổn hao năng lượng, và mở rộng khả năng ứng dụng của các
hệ thống điện tử từ thiết bị di động đến xe điện và vệ tinh vũ trụ.
Vật liệu có tính quyết định hiệu suất chuyển mạch và tiêu hao năng lượng. Trong vi
mạch, các transistor hoạt động như công tắc siêu nhỏ để xử lý tín hiệu. Tốc độ chuyển
mạch càng nhanh và điện trở chuyển mạch càng thấp thì hiệu suất càng cao và tiêu thụ
năng lượng càng ít. Những đặc tính này phụ thuộc mạnh mẽ vào bản chất vật lý của vật
liệu bán dẫn được sử dụng.
Silicon là nền tảng truyền thống cho hầu hết các vi mạch. Tuy nhiên, silicon bắt đầu
chạm đến giới hạn vật lý khi tần số và mật độ tích hợp ngày càng tăng. Silicon Carbide
(SiC) và Gallium Nitride (GaN) là hai vật liệu có dải cấm rộng, giúp vi mạch hoạt động
ở điện áp cao, nhiệt độ cao và tần số cao mà ít tổn hao. Điều này đặc biệt hữu ích cho
bộ chuyển đổi công suất, hệ thống năng lượng tái tạo, sạc nhanh và xe điện, giúp tăng
hiệu suất tổng thể và giảm tiêu hao điện. Theo nghiên cứu của Liu et al. (2022)[14], việc
thay thế IGBT dựa trên silicon bằng MOSFET SiC trong bộ biến tần xe điện giúp giảm
tổn thất năng lượng đến 50% và tăng hiệu suất tổng thể từ 94% lên 98%.
Vật liệu bán dẫn có khả năng dẫn nhiệt tốt như GaN và SiC cũng góp phần quan trọng
vào hiệu suất vì chúng giảm nhiệt độ hoạt động, từ đó kéo dài tuổi thọ linh kiện và cho
phép mật độ tích hợp transistor cao hơn. Điều này cho phép các nhà thiết kế vi mạch tạo
ra hệ thống SoC nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, tiêu tốn ít điện năng hơn – rất quan trọng
trong các thiết bị di động và máy tính hiệu năng cao.
Trong hệ thống điện mặt trời, gió, và pin lưu trữ, các bộ chuyển đổi điện (inverter,
converter) cần hiệu suất cực cao để giảm tổn hao và nâng cao khả năng lưu trữ. Việc sử
52
dụng GaN và SiC trong các bộ chuyển đổi DC-DC và AC-DC giúp tăng hiệu suất chuyển
đổi năng lượng từ ~90% (Si) lên đến >98% (SiC/GaN) (U.S. Department of Energy,
2022)[15].
Hình 3.16. Sơ đồ so sánh giữa hệ thống sử dụng inverter silicon truyền thống và inverter SiC trong ứng dụng
quang năng – từ nghiên cứu của Ando et al. (2017)
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1. Định hướng phát triển vật liệu bán dẫn và công nghệ chế tạo vi mạch tại Việt
Nam
4.1.1 Thực trạng và tiềm năng phát triển
Ngành công nghiệp bán dẫn và công nghệ chế tạo vi mạch đang trở thành lĩnh vực mũi
nhọn trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 toàn cầu. Các quốc gia như Hoa Kỳ, Hàn
Quốc, Đài Loan đã phát triển ngành này thành một ngành công nghiệp lõi, đóng vai trò
chiến lược trong kinh tế và an ninh quốc gia. Trong khi đó, Việt Nam mới chỉ bắt đầu
từng bước tiếp cận lĩnh vực này, chủ yếu thông qua khâu lắp ráp, kiểm thử và gia công
(back-end), chưa làm chủ được thiết kế và chế tạo chip (front-end).
Tuy nhiên, bối cảnh thế giới đang có sự dịch chuyển chuỗi cung ứng công nghệ cao khỏi
Trung Quốc sang các quốc gia Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam, đã tạo ra một cơ
hội lớn để tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị toàn cầu. Việt Nam có lực lượng lao động
trẻ, nhiều trường đại học kỹ thuật, chi phí nhân công cạnh tranh và đang được các tập
đoàn lớn như Intel, Samsung đầu tư mạnh.
4.1.2 Ưu điểm của Việt Nam trong phát triển công nghiệp bán dẫn
Nguồn nhân lực trẻ, dồi dào: Việt Nam có tỷ lệ người trong độ tuổi lao động cao, nhiều
sinh viên ngành kỹ thuật, công nghệ, đặc biệt trong các trường như Bách Khoa, Khoa
học Tự nhiên, FPT…
53
Chi phí sản xuất cạnh tranh: So với Hàn Quốc, Nhật Bản hay Trung Quốc, chi phí thuê
đất, điện, nhân công tại Việt Nam vẫn ở mức thấp, hấp dẫn các nhà đầu tư nước ngoài.
Chính sách thu hút đầu tư tích cực: Chính phủ đã ban hành các chính sách ưu đãi thuế,
hỗ trợ R&D, xây dựng khu công nghệ cao để khuyến khích đầu tư vào lĩnh vực này.
Vị trí địa lý chiến lược: Nằm gần các trung tâm công nghệ như Đài Loan, Trung Quốc,
Hàn Quốc, thuận lợi cho hợp tác và vận chuyển thiết bị.
4.1.3 Nhược điểm và thách thức
Thiếu công nghệ lõi và năng lực thiết kế chip: Việt Nam gần như chưa làm chủ được
các quy trình sản xuất chip tiên tiến như EUV lithography, thiết kế SoC (System on
Chip), hoặc công nghệ bán dẫn dưới 10 nm.
Thiếu chuyên gia cao cấp và đào tạo chuyên sâu: Nguồn nhân lực tuy nhiều nhưng còn
thiếu chuyên môn sâu về vi mạch, bán dẫn, MEMS, và các lĩnh vực công nghệ phụ trợ.
Công nghiệp phụ trợ yếu: Việt Nam chưa có hệ sinh thái mạnh về vật liệu bán dẫn, thiết
bị sản xuất, phần mềm thiết kế chip (EDA tools) – khiến việc phát triển độc lập gặp khó
khăn.
4.2 Kết luận
Ngành công nghiệp bán dẫn và chế tạo vi mạch đóng vai trò then chốt trong nền kinh tế
số và công nghệ cao. Việt Nam tuy còn ở giai đoạn đầu nhưng có tiềm năng lớn nhờ vào
nguồn nhân lực trẻ, chi phí cạnh tranh và chính sách hỗ trợ từ nhà nước. Tuy nhiên, để
bứt phá và tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu, cần đầu tư mạnh hơn vào nghiên cứu,
đào tạo, và phát triển hệ sinh thái công nghiệp nội địa. Nếu định hướng đúng và hành
động quyết liệt, Việt Nam hoàn toàn có thể trở thành trung tâm vi mạch quan trọng của
khu vực trong tương lai
54
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] 6. Sze, S. M., & Ng, K. K. (2006). Physics of semiconductor devices (3rd ed.).
Wiley-Interscience.
[2] 5. Pierret, R. F. (1996). Semiconductor device fundamentals. Addison-Wesley.
[3] Kroh, M. (2019). InGaAs detectors and their application in SWIR imaging. OptoElectronics Review, 27(1), 56–65.
[4] Iyer, S. S., et al. (2017). Heterogeneous integration of III–V devices on silicon: The
path to CMOS-compatible photonics. Journal of Applied Physics, 122(15), 151104.
[5] Mishra, U. K., Parikh, P., & Wu, Y. F. (2002). AlGaN/GaN HEMTs—An overview
of device operation and applications. Proceedings of the IEEE, 90(6), 1022–1031
[6] Monroy, E., Omnès, F., & Calle, F. (2003). Wide-bandgap semiconductor ultraviolet
photodetectors. Semiconductor Science and Technology, 18(4), R33–R51.
[7] IEEE Spectrum. (2023). The Future of CMOS Scaling.
[8] Semiconductor Industry Association. (2023). 2023 State of the U.S. Semiconductor
Industry.
[9] Sze, S. M., & Ng, K. K. (2021). Physics of semiconductor devices (4th ed.).
Hoboken, NJ: Wiley.
[10] Apple. (2021). Apple M1 Chip Technical Overview.
[11] Casady, J. B., & Johnson, R. W. (1996). Status of Silicon Carbide (SiC) as a
Wide-Bandgap Semiconductor for High-Temperature Applications. Journal of the
American Ceramic Society, 79(5), 1081–1100.
[12] Kim, D. H., Lu, N., Ma, R., Kim, Y. S., Kim, R. H., & Rogers, J. A. (2011).
Epidermal Electronics. Science, 333(6044), 838–843.
[13] Neudeck, P. G., & Okojie, R. S. (2002). High-Temperature Electronics—A Role
for Wide Bandgap Semiconductors?. Proceedings of the IEEE, 90(6), 1065–1076.
[14] Liu, X., Huang, A., & Wang, F. (2022). Comparative Efficiency of SiC vs SiBased Inverter Systems in Electric Vehicles. IEEE Transactions on Power Electronics,
37(3), 2143–2155.
[15] U.S. Department of Energy. (2022). SiC Power Electronics for Solar. DOE Office
of Science.
55
Trang website
[1]https://memart.vn/tin-tuc/blog/tim-hieu-ve-ban-dan-loai-p-va-n-la-gi-va-tac-dongcua-chung-den-cong-nghe-hien-dai-vi-cb.html [2]
[2]https://www.studocu.vn/vn/document/truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-thanh-phoho-chi-minh/dien-tu-co-ban/chuong-1-chuong-1/60075010
[3]https://www.studocu.vn/vn/document/truong-dai-hoc-cong-nghiep-tp-ho-chiminh/vat-ly-dai-cuong/chuong-3-vat-lieu-ban-dan/73721541
[4]https://kdientu.duytan.edu.vn/nghien-cuu-khoa-hoc/tong-quan-ve-chat-ban-dan/
56
