🔬 Đối mặt với ô nhiễm điện từ ngày càng nghiêm trọng, chúng ta có biện pháp bảo vệ nào không?

Biện pháp chủ yếu gồm: đưa nguồn ô nhiễm điện từ ra xa khu dân cư đông đúc, cải tiến các thiết bị điện, giảm thấp rò rỉ điện từ, lắp đặt thiết bị che chắn điện từ, hạ thấp cường độ điện từ trường v.v. Con người lợi dụng sóng điện từ, cũng giống như lợi dụng các tài nguyên khác, chỉ có sau khi đi sâu tìm hiểu được chúng, thì mới có thể vừa bắt chúng phục vụ tối đa cho phúc lợi loài người, lại vừa không để chúng gây nguy hại đối với môi trường sống của nhân loại. Từ khoá: Sóng điện từ; Ô nhiễm điện từ. Ô nhiễm từ trường Khả năng dẫn điện của kim loại như đồng, bạc, nhôm, sắt v.v. rất mạnh, nên gọi là chất dẫn điện. Còn chất dẻo, thuỷ tinh, cao su, gốm sứ v.v. hầu như không dẫn điện, nên gọi là chất cách điện. Còn có một loại vật chất mà khả năng dẫn điện nằm ở giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đó tức là chất bán dẫn. Khả năng dẫn điện của chất bán dẫn có thể biến đổi theo sự biến đổi của các nhân tố vật lí: ở nhiệt độ cực thấp, chất bán dẫn tinh khiết không thể dẫn điện, giống như chất cách điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ tương đối cao, hoặc khi có ánh sáng chiếu tới, hoặc sau khi có tạp chất lẫn vào, khả năng dẫn điện của chất bán dẫn liền tăng lên rất nhiều, có thể gần với tính năng dẫn điện của kim loại. Người ta liền lợi dụng tính chất đó của chất bán dẫn để làm ra các loại linh kiện chủ chốt bán dẫn và mạch điện tích hợp (IC), vận dụng vào các nơi trong kĩ thuật điện tử. Silic và gecmani là hai loại nguyên tố bán dẫn được dùng rộng rãi nhất hiện nay. Vì sao khả năng dẫn điện của chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện khác biệt nhau nhiều đến vậy? Đó là do sự khác nhau trong kết cấu vật chất của chúng. Chúng ta biết rằng, vật chất do nguyên tử hợp thành. Electron trong nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử. Bất luận là chất dẫn điện, chất bán dẫn hay là chất cách điện, bên trong đều có rất nhiều electron. Trong kim loại, lực hút của hạt nhân nguyên tử đối với electron rất yếu ớt, có khá đông electron có thể chuyển động tự do. Cho nên, electron trong kim loại gọi là electron tự do. Một khi có điện trường đặt lên, các electron tự do trong kim loại răm rắp chịu sự chỉ huy của điện trường, đều chuyển động về một hướng. Thế là hình thành nên dòng điện. Nhưng trong chất cách điện, các electron mang điện âm phải chịu sức hút của hạt nhân nguyên tử mang điện dương, không thể tuỳ tiện tách ra, giống như rơi vào một "cái bẫy" vậy. Nếu các electron bị ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử rất mạnh, thì giống như "cái bẫy" rất sâu, chúng không sao "thoát thân" được để trở thành electron tự do, cũng tức là không hình thành nên dòng điện được. Tình trạng chất bán dẫn nằm ở giữa hai loại hình kể trên. Ở nhiệt độ thấp, electron chịu sự ràng buộc của hạt nhân nguyên tử không thể dẫn điện. Nhưng sự ràng buộc đó yếu hơn một ít so với ảnh hưởng trong chất cách điện. Theo đà lên cao của nhiệt độ, chuyển động của electron mạnh lên. Một bộ phận electron liền có thể giãy thoát khỏi sự ràng buộc, biến thành electron tự do tham gia dẫn điện. Dùng phương pháp rọi sáng cũng có thể cung cấp năng lượng cho electron như vậy. Nhiệt độ càng cao, số electron giãy thoát ràng buộc càng nhiều, khả năng dẫn điện càng mạnh, qua đó mà biến đổi khả năng dẫn điện của chất bán dẫn. Trộn tạp chất là một biện pháp quan trọng nhất nhằm tăng cường khả năng dẫn điện của chất bán dẫn. Chỉ trộn vào có một phần triệu tạp chất là đã có thể làm cho khả năng dẫn điện của chất bán dẫn được nâng cao gấp hơn một triệu lần. Nguyên tử silic có hoá trị bốn, nếu như trộn vào đó một chút tạp chất photpho (P) hoặc asen (As) v.v. đều có hoá trị năm, chúng thay vào vị trí của một nguyên tử silic thì liền thừa ra một electron. Electron ấy liền tham gia dẫn điện. Loại chất bán dẫn trộn tạp chất như vậy gọi là chất bán dẫn kiểu n. Nếu tạp chất trộn vào là bo hoặc inđi chỉ có hoá trị ba, thì sẽ thiếu đi một electron, thừa ra một lỗ trống mang điện dương. Chính là cái lỗ trống mang điện dương đó sẽ tham gia dẫn điện. Loại chất bán dẫn trộn tạp chất như vậy gọi là chất bán dẫn kiểu p. Chất bán dẫn kiểu n và kiểu p tiếp xúc nhau hình thành một cái lớp chuyển tiếp p-n. Lợi dụng lớp chuyển tiếp p-n có thể làm thành các linh kiện bán dẫn như điện trở, đèn hai cực, đèn ba cực v.v. Sử dụng các linh kiện bán dẫn đó để tiến đến chế tạo các loại mạch điện. Có thể thấy rằng, vật liệu bán dẫn giữ một vai trò hết sức quan trọng trong kĩ thuật điện tử. Từ khoá: Chất dẫn điện; Chất cách điện; Chất bán dẫn; Dẫn điện; Lớp chuyển tiếp p-n; Electron tự do. Việc sản xuất các linh kiện bán dẫn, ngoài nhu cầu một môi trường siêu sạch ra, có một số trình tự các công đoạn cần phải tiến hành trong chân không. Trong môi trường khí quyển chúng ta đang sống có chứa một lượng lớn khí nitơ, khí oxi và các loại phân tử chất khí khác nữa. Những phân tử khí này luôn luôn ở trong trạng thái chuyển động. Khi chúng chuyển động đến bề mặt của vật thể, sẽ có một bộ phận bám dính lên bề mặt đó. Trong đời sống thường ngày, điều đó sẽ không sinh ra ảnh hưởng gì mấy. Song đối với trình tự các công đoạn sản xuất linh kiện bán dẫn có đòi hỏi cực cao về môi trường xung quanh thì sự biến đổi nhỏ đó cũng đủ gây ra cho sản xuất lắm chuyện phiền toái. Mỗi một linh kiện bán dẫn đều bao gồm nhiều lớp vật liệu nhiều loại nhiều dạng. Nếu giữa các lớp vật liệu khác nhau đó có lẫn phân tử khí vào thì tính năng quang hoặc điện của linh kiện sẽ bị phá hoại. Ví dụ mong muốn trên lớp tinh thể sinh trưởng thêm một lớp tinh thể nữa (gọi là ngọai diên), phân tử khí bị bề mặt tinh thể lớp đáy hút dính, sẽ cản trở nguyên tử bên trên tiến hành sắp xếp có trật tự theo cấu trúc mạng tinh thể. Kết quả là đưa vào rất nhiều khiếm khuyết trong lớp ngoại biên, nghiêm trọng hơn, thậm chí không sinh trưởng ra tinh thể, mà chỉ có thể thu được đa tinh thể hoặc phi tinh thể sắp xếp lộn xộn không theo một trật tự nào cả. Ở điều kiện một atmotphe, trên mỗi một điểm của bề mặt tinh thể, trong một giây đều bị vài trăm triệu cú va đập của phân tử khí. Cho nên, muốn thu được bề mặt tinh thể sạch sẽ, thông thường phải làm cho mật độ phân tử khí xuống tới một phần vài trăm triệu của mật độ khí quyển mới được, tức là cần thiết có một môi trường chân không. Để làm điều đó, người ta chế tạo ra những hòm bịt kín to nhỏ đủ kiểu, và phát minh ra đủ loại bơm chân không, rút không khí trong những hòm bịt kín ấy ra, làm cho bên trong hòm trở thành môi trường chân không. Rất nhiều cấu kiện bán dẫn, như các đĩa laze (CD, VCD và DVD) và máy laze bán dẫn trong truyền thông sợi quang, mạch điện tích hợp vi sóng trong rađa hoặc trong thiết bị truyền thông vệ tinh, thậm chí nhiều mạch điện tử thông thường, đều có trình tự các công đoạn chế tác khá nhiều bộ phận phải tiến hành trong hòm chân không. Mức độ chân không càng cao, tính năng của linh kiện bán dẫn chế tác ra cũng càng tốt. Hiện nay, rất nhiều linh kiện bán dẫn có tính năng cao đều được chế tác ra trong môi trường chân không siêu cao. Muốn có được cái gọi là chân không siêu cao thì mật độ phân tử khí trong đó chỉ có một phần vài trăm tỉ đến một phần vài trăm nghìn tỉ của khí quyển! Môi trường chân không siêu cao đòi hỏi một hệ thống rút không khí vô cùng phức tạp mà giá cả rất đắt. Ngoài ra, trong quá trình gia công linh kiện bán dẫn, cần phải dùng các hạt như chùm electron, chùm ion và chùm phân tử v.v. để tiến hành chiếu xạ và bắn phá vật liệu. Trong khí quyển, các phân tử khí có thể xảy ra va chạm với những hạt này, rút ngắn rất nhiều qu•ng đường đi của chúng, kết cục là tuyệt đại đa số các hạt không đến được bề mặt vật liệu. Đặt những quá trình gia công này trong môi trường chân không mà tiến hành thì có thể tránh được vấn đề đó. Từ khoá: Linh kiện bán dẫn; Bề mặt tinh thể; Chân không, Chân không siêu cao. Từ khi ra đời vào những năm 60 của thế kỉ XX cho đến nay, mạch tích hợp (IC) đã có sự phát triển rất lớn và được ứng dụng rộng rãi. Trong máy tính, đồng hồ thạch anh, đồng hồ điện tử, máy giặt, máy trò chơi, cái điều khiển tivi từ xa và trong rất nhiều đồ điện gia dụng đều có một mảnh hoặc vài mảnh mạch tích hợp. Trong máy tính thì khỏi phải nói rồi. Tính năng của máy tính sở dĩ được nhanh chóng nâng cao chính là do sự phát triển không ngừng của mạch tích hợp mang lại. Trước khi mạch tích hợp xuất hiện, các mạch điện đều dùng từng linh kiện như điện trở, tụ điện, đèn hai cực, đèn ba cực v.v. riêng lẻ, hàn chúng vào một tấm mạch in sẵn hoặc dùng dây điện rời hàn các linh kiện với nhau. Rõ ràng là, khi số lượng các linh kiện quá lớn, ví dụ như mạch điện có 100 nghìn tranzito cấu thành, thể tích của nó sẽ vô cùng đồ sộ, mức tiêu thụ điện năng cũng rất lớn. Hơn thế nữa, mạch điện rất dễ xảy ra hỏng hóc. Bất cứ một mối hàn nào rời ra hoặc một linh kiện nào hỏng đi đều có thể ảnh hưởng tới cả một mạch điện. Về sau, người ta lợi dụng biện pháp khoa học kĩ thuật tiên tiến, chế tác các linh kiện cần thiết trong mạch điện thành một miếng bán dẫn nhỏ, mọi khó khăn kể trên đều được giải quyết xong xuôi. Đó tức là mạch điện điện tử tích hợp, gọi tắt là mạch tích hợp. Cố nhiên những linh kiện này phải vô cùng vô cùng nhỏ, còn phải dùng dây dẫn rất rất mảnh nối những linh kiện rất rất nhỏ ấy lại với nhau. Làm thế nào để tập hợp rất nhiều linh kiện điện tử lên một tấm silic bán dẫn nhỏ được nhỉ? Qua mấy chục năm nghiên cứu và phát triển, hiện nay đã có một quy trình kĩ thuật tương đối hoàn chỉnh, tức là đã có công nghệ gia công mạch tích hợp. Quy trình đó bao gồm các công đoạn oxi hoá, khắc bằng ánh sáng (quang khắc), pha tạp chất, kim loại hoá v.v. Quá trình đó phải lặp đi lặp lại rất nhiều lần. Chế tạo một mảnh mạch tích hợp thông thường cần tới vài chục, thậm chí trên vài trăm trình tự công đoạn. Để phân loại các mạch tích hợp có mức độ dồn chứa khác nhau, nói chung người ta gọi mạch bao gồm 10 đến 100 tranzito (bóng bán dẫn) là mạch tích hợp cỡ nhỏ (SSI); gọi mạch bao gồm 100 đến 1000 tranzito là mạch tích hợp cỡ vừa (MSI); gọi mạch bao gồm 1000 đến 10000 tranzito là mạch tích hợp cỡ lớn (LSI), mạch bao gồm 1000000 tranzito trở lên là mạch tích hợp siêu lớn (VLSI). Qua đó có thể biết, cái gọi là cỡ tức là chỉ mức độ nhiều ít của con số tranzito chứa đựng trong một mảnh mạch tích hợp. Song, thể tích của mạch tích hợp không hề tăng lên theo tỉ lệ kích thước của "cỡ" của bản thân nó, mà ngược lại có xu hướng ngày càng nhỏ đi. Cố nhiên, điều đó cũng có nghĩa là mật độ dồn chứa của linh kiện ngày càng lớn. Từ khoá: Mạch điện; Mạch tích hợp; IC cỡ nhỏ; IC cỡ vừa; IC cỡ lớn; IC cỡ siêu lớn. Phạm vi ứng dụng mạch tích hợp đã phổ cập đến mọi ngóc ngách trong đời sống chúng ta: trong rađiô, trong tivi đều có mạch tích hợp, trong máy tính điện tử lại càng không thể thiếu nó được. Bạn có biết mạch tích hợp được chế tạo bằng thứ gì không? Nguyên liệu chủ yếu của nó là silic. Silic là thành phần chủ yếu trong "cát thạch anh" có hàm lượng rất dồi dào trên Trái Đất. Song, muốn dùng cát thạch anh chế tạo mạch tích hợp thực không phải là chuyện dễ làm. Quá trình sản xuất ra nó vô cùng phức tạp, yêu cầu đối với môi trường sản xuất cũng hết sức khắc nghiệt. Trước hết phải lấy ra silic đioxit từ trong cát thạch anh, rồi lại từ trong silic đioxit lấy ra silic, sau đó cần làm sạch và vuốt dài thành đơn tinh thể. Cắt đơn tinh thể thành mảnh silic, rồi qua quá trình mài bóng, làm cho nó như mặt gương ngay ngắn là có thể chế tạo mạch tích hợp. Bạn xem, bên trong mạch tích hợp, đặc biệt là trong mạch tích hợp cỡ siêu lớn, có phân bố chi chít dày đặc các linh kiện, khoảng trống của chúng không đến một phần nghìn milimet. Giữa các linh kiện với nhau còn có dây nối đan xen ngang dọc. Nếu có một hạt bụi rơi vào trong đó, cho dù nó nhỏ đến mức mắt thường không nhìn thấy, kẹt vào trong mạch điện như một quả đồi, hoặc tạo thành chập mạch, hoặc tạo thành ngắt mạch, cả hai trường hợp này đều có thể làm cho cả mảnh mạch tích hợp hư hỏng. Cho nên trong quá trình sản xuất mạch tích hợp, bụi bặm trong không khí phải được giảm xuống tới mức thấp nhất. Điều đó không phải chỉ quét dọn lau chùi phân xưởng sản xuất sạch sẽ là đã giải quyết được vấn đề, mà còn phải lọc thật kĩ không khí. Sự lưu thông không khí trong phân xưởng cũng được áp dụng phương pháp đặc thù để tránh thổi tung bụi bặm sót lại trên mặt đất hoặc trên bàn làm việc. Nhân viên công tác cũng phải mặc trang phục làm việc đã qua xử lí đặc biệt, đi găng tay, từ đầu tới chân phải trùm kĩ lưỡng, giống như kiểu bác sĩ ngoại khoa đang thực hiện ca phẫu thuật lớn vậy. Các loại thuốc thử hoá học, dung dịch, kim loại v.v. dùng trong quá trình sản xuất cũng yêu cầu tinh khiết ở mức cao nhất (cấp tinh khiết điện tử), để tránh ảnh hưởng của tạp chất. Cho dù đã áp dụng nhiều biện pháp sạch hoá nghiêm ngặt đến như vậy, nhưng vẫn có những mảnh sản xuất ra không đạt quy cách. Nguyên nhân chủ yếu là do rất nhiều bụi bặm trong phân xưởng được đưa vào bởi con người. Nếu như toàn bộ quá trình sản xuất đều do người máy đảm nhiệm, áp dụng phân xưởng không người, tự động hoá hoàn toàn, thì điều kiện môi trường sẽ dễ khống chế, tỉ lệ sản phẩm hợp quy cách cũng có thể nâng cao thêm một bước. Hiện nay, trên thế giới đã xây dựng được rất nhiều dây chuyền sản xuất mạch tích hợp hoàn toàn tự động hoá. Từ khoá: Mạch tích hợp; Sạch hoá; Cát thạch anh; Silic đioxit. Hơn 30 năm gần đây, máy tính điện tử và công nghệ thông tin phát triển vượt bậc, thể tích của thiết bị vi tính ngày càng bé đi, chức năng lại ngày càng mạnh lên, giá cả ngày càng rẻ. Đó chính là một cuộc cách mạng do kĩ thuật vi tính mang lại. Trong những năm 60 của thế kỉ XX, điện tử học sinh ra một phân nhánh khoa học mới, nghiên cứu làm thế nào lợi dụng đặc tính vi mô của nội bộ chất rắn cùng với một vài công nghệ đặc thù, trên cái lõi của miếng bán dẫn chế tác một lượng lớn các linh kiện, nhờ đó mà trong một diện tích nhỏ tí teo chế tạo ra hệ thống điện tử phức tạp. Đó là điện tử học hệ vi mô, gọi tắt là vi điện tử. Còn kĩ thuật vi điện tử lại là tên gọi chung của các kĩ thuật công nghệ trong vi điện tử học. Nó bao gồm thiết kế hệ thống và mạch điện, tính năng vật lí của cấu kiện, một loạt kĩ thuật chuyên môn như kĩ thuật công nghệ, chế tạo vật liệu, đo tự động cùng với việc lắp ráp v.v. Theo đà phát triển của kĩ thuật vi điện tử, mạch tích hợp đã trải qua bốn giai đoạn: mạch cỡ nhỏ, mạch cỡ vừa, mạch cỡ lớn và mạch cỡ siêu lớn. Mới đầu, ở cuối những năm 60 của thế kỉ XX, trên một cái lõi, chỉ có thể chứa vài nghìn linh kiện. Còn ngày nay trên cái lõi chỉ có hơn 1 cm2, số lượng các linh kiện điện tử dồn chứa nhiều đến hơn 100 triệu cái. Sự phát triển của công nghệ chế tạo vật liệu làm cho tấm silic có thể càng ngày càng lớn. Hiện nay, đường kính tấm silic sản xuất được xấp xỉ 20 cm. Có nghĩa là trên một tấm silic đồng thời có thể chế tạo càng nhiều mạch tích hợp, nâng cao hiệu suất sản xuất rất nhiều. Sự nâng cao không ngừng của mật độ dồn chứa có quan hệ mật thiết với sự phát triển của công nghệ bán dẫn. Ví dụ như công nghệ trộn tạp, khi chế tạo mạch tích hợp mới đầu áp dụng phương pháp khuếch tán nhiệt, khó khống chế được độ chuẩn xác. Hiện nay phần nhiều dùng phép nội xạ ion, độ chuẩn xác được nâng cao rất nhiều, mật độ dồn chứa cũng theo đó tiến lên một bậc. Sự phát triển của kĩ thuật vi điện tử đã làm cho thiết bị và hệ thống điện tử tiến vào một giai đoạn mới: giảm nhỏ kích thước, nâng cao độ tin cậy và hạ giá thành. Ảnh hưởng của sự phát triển đó đang thâm nhập sâu vào từng lĩnh vực khoa học tự nhiên và xã hội, mang lại những sự biến đổi to lớn cho nền kinh tế xã hội, cho phương thức sinh hoạt và quan niệm tư duy của con người. Có thể dự kiến rằng, kĩ thuật vi điện tử vẫn sẽ có bước phát triển dài, mật độ tập trung hi vọng nâng cao thêm một bước, máy tính điện tử cũng sẽ thực hiện trí thông minh nhân tạo cao độ, thay thế con người làm công việc lao động trí óc rất nặng nề và đa dạng. Từ khoá: Kĩ thuật vi điện tử; Vi điện tử học; Mạch tích hợp.