Transistor là gì ?

Bộ não của chúng ta chứa khoảng 100 tỷ tế bào được gọi là nơ-ron thần kinh, các công tắc nhỏ cho phép bạn suy nghĩ và ghi nhớ mọi thứ. Máy tính cũng chứa hàng tỷ “tế bào não” thu nhỏ. Chúng được gọi là Transistor và chúng được làm từ silicon, một nguyên tố hóa học thường được tìm thấy trong cát. Các Transistor đã cách mạng hóa thiết bị điện tử kể từ khi chúng được phát minh lần đầu tiên cách đây hơn nửa thế kỷ bởi John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley. Nhưng họ là gì và họ làm việc như thế nào ?

Transistor có nhiệm vụ gì ? Transistor là gì ?

Một Transistor thực sự đơn giản và cũng thực sự phức tạp. Hãy bắt đầu với phần đơn giản. Một Transistor là một thành phần điện tử thu nhỏ có thể làm hai công việc khác nhau. Nó có thể hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc một công tắc.

• Khi nó hoạt động như một bộ khuếch đại , nó sẽ lấy một dòng điện nhỏ ở một đầu (một dòng đầu vào) và tạo ra một dòng điện lớn hơn nhiều (một dòng đầu ra) ở đầu kia. Nói cách khác, đó là một loại khuếch đại dòng điện. Điều đó thực sự hữu ích trong những thứ như máy trợ thính, một trong những điều đầu tiên mọi người sử dụng Transistor. Máy trợ thính có một micrô nhỏ trong đó thu nhận âm thanh từ thế giới xung quanh bạn và biến chúng thành dòng điện dao động. Chúng được đưa vào một Transistor giúp khuếch đại chúng và cung cấp năng lượng cho một chiếc loa nhỏ, vì vậy bạn nghe thấy một phiên bản lớn hơn của âm thanh xung quanh bạn. William Shockley, một trong những người phát minh ra Transistor, đã từng giải thích về bộ khuếch đại Transistor cho một sinh viên theo cách hài hước hơn: “Nếu bạn lấy một bó cỏ khô và buộc nó vào đuôi con la và sau đó đập một que diêm kiện cỏ khô trên lửa, và nếu sau đó bạn so sánh năng lượng được sử dụng ngay sau đó bởi con la với năng lượng do chính bạn sử dụng, bạn sẽ hiểu khái niệm khuếch đại. “
• Các Transistor cũng có thể làm việc như các công tắc. Một dòng điện nhỏ chạy qua một phần của Transistor có thể tạo ra dòng điện lớn hơn nhiều thông qua một phần khác của nó. Nói cách khác, dòng điện nhỏ chuyển sang cái lớn hơn. Đây thực chất là cách tất cả các chip máy tính hoạt động.Ví dụ, một chip bộ nhớ chứa hàng trăm triệu hoặc thậm chí hàng tỷ Transistor, mỗi Transistor có thể được bật hoặc tắt riêng lẻ. Vì mỗi Transistor có thể ở hai trạng thái riêng biệt, nó có thể lưu trữ hai số khác nhau, không và một. Với hàng tỷ Transistor, một con chip có thể lưu trữ hàng tỷ số không và số không, và gần như nhiều số và chữ cái thông thường (hoặc ký tự, như chúng ta gọi chúng).

Transistor được chế tạo thế nào ? 

Các Transistor được làm từ silicon, một nguyên tố hóa học được tìm thấy trong cát, thường không dẫn điện (nó không cho phép các electron di chuyển qua nó một cách dễ dàng). Silicon là một chất bán dẫn, có nghĩa là nó không thực sự là một chất dẫn điện (thứ gì đó giống như kim loại cho phép dòng điện) cũng không phải là chất cách điện (thứ gì đó như nhựa làm ngừng dòng điện). Nếu chúng ta xử lý silicon bằng tạp chất (một quá trình được gọi là doping ), chúng ta có thể khiến nó hoạt động theo một cách khác. Nếu chúng ta xử lý silic bằng các nguyên tố hóa học asen, phốt pho hoặc antimon, silic sẽ thu được một số electron “tự do” bổ sung có thể mang dòng điện Dòng điện để các electron sẽ chảy ra khỏi nó một cách tự nhiên hơn.

Do các electron có điện tích âm, silicon được xử lý theo cách này được gọi là loại N (loại âm). Chúng ta cũng có thể pha tạp silicon với các tạp chất khác như boron, gali và nhôm. Silicon được xử lý theo cách này có ít các electron “tự do” hơn, vì vậy các electron trong các vật liệu gần đó sẽ có xu hướng chảy vào nó.Chúng tôi gọi loại silicon này là loại p (loại dương).

Điều quan trọng cần lưu ý là cả silicon loại n hoặc loại p thực sự đều có điện tích: cả hai đều trung hòa về điện. Đúng là silicon loại n có thêm các electron “tự do” làm tăng độ dẫn của nó, trong khi silicon loại p có ít các electron tự do hơn, giúp tăng độ dẫn của nó theo cách ngược lại.  Tất cả những gì chúng ta cần nhớ là “các electron thêm” có nghĩa là các electron tự do thêm có thể có thể tự do di chuyển và giúp mang dòng điện. 

Transistor hoạt động thế nào ? 

Bây giờ giả sử chúng ta sử dụng ba lớp silicon trong bánh sandwich thay vì hai lớp. Chúng ta có thể làm một bánh sandwich pnp hoặc một bánh sandwich npn. Nếu chúng ta nối các tiếp điểm điện với cả ba lớp của bánh sandwich, chúng ta có thể tạo ra một bộ phận sẽ khuếch đại dòng điện hoặc bật hoặc tắt nó theo cách khác. Chúng ta hãy xem nó hoạt động như thế nào trong trường hợp của một bóng bán dẫn npn.

Chúng ta sẽ gọi hai tiếp điểm được nối với hai mảnh silicon loại n là bộ phát và bộ thu, và tiếp điểm được nối với silicon loại p chúng ta sẽ gọi cơ sở. Khi không có dòng điện chạy trong bóng bán dẫn, chúng ta biết silicon loại p thiếu electron (được hiển thị ở đây bằng các dấu cộng nhỏ, đại diện cho điện tích dương) và hai mảnh silicon loại n có thêm electron (được hiển thị bởi ít dấu trừ, đại diện cho phí âm).

Một cách khác để xem xét điều này là để nói rằng trong khi loại n có thặng dư điện tử, loại p có lỗ trống nơi các electron nên có. Thông thường, các lỗ trên đế hoạt động giống như một rào chắn, ngăn chặn bất kỳ dòng điện đáng kể nào từ bộ phát đến bộ thu trong khi bóng bán dẫn ở trạng thái “tắt”.

Một bóng bán dẫn hoạt động khi các electron và lỗ trống bắt đầu di chuyển qua hai điểm nối giữa silicon loại n và loại p.

Hãy kết nối các Transistor với một nguồn cấp. Giả sử chúng ta gắn một điện áp dương nhỏ vào đế, làm cho bộ phát tích điện âm và làm cho bộ thu tích điện dương. Các electron được kéo từ bộ phát vào cơ sở (base)  và sau đó từ cơ sở vào bộ thu. Và Transistor chuyển sang trạng thái “bật”.

Dòng điện nhỏ mà chúng ta bật ở chân đế tạo ra một dòng điện lớn giữa bộ phát và bộ thu. Bằng cách biến một dòng điện đầu vào nhỏ thành dòng điện đầu ra lớn, bóng bán dẫn hoạt động như một bộ khuếch đại. Nhưng nó cũng hoạt động như một công tắc cùng một lúc. Khi không có dòng điện đến cơ sở, rất ít hoặc không có dòng điện nào giữa bộ thu và bộ phát. Bật dòng cơ sở và một dòng điện lớn. Vì vậy, hiện tại cơ sở chuyển đổi toàn bộ bóng bán dẫn bật và tắt. Về mặt kỹ thuật, loại bóng bán dẫn này được gọi là lưỡng cực vì hai loại khác nhau (hoặc “cực”) của điện tích (electron âm và lỗ dương) có liên quan đến việc tạo ra dòng điện.

Chúng ta cũng có thể hiểu Transistor bằng cách nghĩ về nó giống như một cặp điốt. Với cực dương cơ bản và cực phát cực âm, tiếp giáp cực phát giống như một diode phân cực thuận, với các electron di chuyển theo một hướng qua đường giao nhau (từ trái sang phải trong sơ đồ) và các lỗ đi ngược chiều (từ phải sang trái). Đường giao nhau của bộ thu cơ sở giống như một diode phân cực ngược. Điện áp dương của bộ thu kéo hầu hết các electron qua và vào mạch bên ngoài. 

Ai đã phát mình ra Transistor ? 

Transistor được phát minh tại Phòng thí nghiệm Bell ở New Jersey vào năm 1947 bởi ba nhà vật lý tài giỏi của Hoa Kỳ: John Bardeen (1908 Nott1991), Walter Brattain (1902 -1987) và William Shockley (1910 – 1989).

Nhóm nghiên cứu, do Shockley dẫn đầu, đã cố gắng phát triển một loại bộ khuếch đại mới cho hệ thống điện thoại Hoa Kỳ, nhưng những gì họ thực sự phát minh ra hóa ra lại có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn. Bardeen và Brattain đã tạo ra Transistor thực tế đầu tiên vào thứ ba ngày 16 tháng 12 năm 1947. Mặc dù Shockley đã đóng một vai trò lớn trong dự án, anh ta rất tức giận và kích động khi bị bỏ rơi. Ngay sau đó, trong một lần ở khách sạn tại một hội nghị vật lý, anh đã một mình tìm ra lý thuyết về Transistor ba ngã là một thiết bị tốt hơn nhiều so với bóng bán dẫn tiếp xúc điểm.

Trong khi Bardeen rời Bell Labs để trở thành một học giả (anh tiếp tục tận hưởng thành công hơn nữa khi học các chất siêu dẫn tại Đại học Illinois), Brattain ở lại một thời gian trước khi nghỉ hưu để trở thành giáo viên. Shockley thành lập công ty sản xuất bóng bán dẫn của riêng mình và giúp truyền cảm hứng cho hiện tượng thời hiện đại đó là “Thung lũng Silicon”. Hai nhân viên của ông, Robert Noyce và Gordon Moore, đã tiếp tục thành lập Intel, nhà sản xuất chip vi mô lớn nhất thế giới.

Bardeen, Brattain và Shockley đã tái hợp trong một thời gian ngắn vài năm sau đó khi họ chia sẻ giải thưởng khoa học hàng đầu thế giới, giải thưởng Nobel Vật lý năm 1956, vì khám phá của họ. Câu chuyện của họ là một câu chuyện hấp dẫn về sự sáng chói trí tuệ chiến đấu với sự ghen tị nhỏ nhặt và nó cũng đáng để đọc thêm.

Người viết : Quốc Nguyễn 

==> Xem bài viết khác: “cảm biến đo mức siêu âm”