Giải thích nguyên lý làm việc của Transistor

Não của bạn chứa khoảng 100 tỷ tế bào gọi là nơron .Đó là những công tắc nhỏ bé cho phép bạn suy nghĩ và ghi nhớ. Máy tính cũng chứa hàng tỷ “tế bào não” nhỏ bé. Chúng được gọi là transistor và được làm từ silic, một nguyên tố hóa học thường được tìm thấy trong cát. Transistor đã làm cách mạng ngành điện tử kể từ khi chúng được phát minh cách đây hơn nửa thế kỷ bởi John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley. Nhưng chúng là gì – và hoạt động như thế nào?

Transistor thực sự làm gì?

Một transistor thật đơn giản – và cũng rất phức tạp. Hãy bắt đầu với phần đơn giản. Một transistor là một linh kiện điện tử nhỏ bé có thể làm hai công việc khác nhau. Nó có thể hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc một công tắc:

Khi hoạt động như bộ khuếch đại, nó nhận một dòng điện nhỏ ở một đầu (dòng điện đầu vào) và tạo ra một dòng điện lớn hơn nhiều (dòng điện đầu ra) ở đầu kia. Nói cách khác, nó giống như một bộ tăng cường dòng điện. Điều này rất hữu ích trong những thứ như máy trợ thính, một trong những ứng dụng đầu tiên của transistor. Một máy trợ thính có một micro nhỏ bắt âm thanh từ môi trường xung quanh và chuyển chúng thành dòng điện dao động. Những dòng điện này được đưa vào transistor để tăng cường và cấp nguồn cho một loa nhỏ, để bạn nghe được phiên bản âm thanh to hơn từ môi trường xung quanh. William Shockley, một trong những người phát minh ra transistor, đã từng giải thích bộ khuếch đại transistor với một sinh viên một cách hài hước hơn: “Nếu bạn lấy một bó rơm và buộc vào đuôi một con lừa, sau đó đánh lửa và đốt bó rơm, và nếu bạn so sánh năng lượng tiêu hao ngay sau đó bởi con lừa với năng lượng bạn tiêu hao khi đánh lửa, bạn sẽ hiểu khái niệm khuếch đại.”

Transistor cũng có thể hoạt động như công tắc. Một dòng điện nhỏ chảy qua một phần của transistor có thể làm một dòng điện lớn hơn chảy qua phần khác của nó. Nói cách khác, dòng điện nhỏ bật dòng điện lớn hơn. Về cơ bản đây là cách hoạt động của tất cả các chip máy tính. 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 chip có thể lưu trữ hàng tỷ số không và một, và gần như nhiều số và chữ cái bình thường (hoặc ký tự, như chúng ta gọi). Sẽ nói thêm về điều này sau.

Điều tuyệt vời về máy móc cũ là bạn có thể tháo rời chúng để hiểu cách hoạt động. Không bao giờ quá khó, với một chút đẩy và đẩy, để khám phá xem bộ phận nào làm gì và một thứ này dẫn đến thứ khác như thế nào. Nhưng điện tử hoàn toàn khác. Tất cả đều liên quan đến việc sử dụng electron để điều khiển điện. Một electron là một hạt nhỏ bé bên trong nguyên tử. Nó nhỏ đến nỗi chỉ nặng khoảng 0,000000000000000000000000000001 kg! Các transistor tiên tiến nhất hoạt động bằng cách điều khiển chuyển động của từng electron, vì vậy bạn có thể tưởng tượng chúng nhỏ đến mức nào. Trong một chip máy tính hiện đại, có kích thước bằng một đầu ngón tay, bạn có thể tìm thấy từ 500 triệu đến 2 tỷ transistor riêng biệt. Không có cơ hội để tháo rời một transistor để tìm hiểu cách hoạt động của nó, vì vậy chúng ta phải hiểu nó bằng lý thuyết và trí tưởng tượng thay vì. Trước tiên, sẽ hữu ích nếu chúng ta biết transistor được làm từ vật liệu gì.

Transistor được Tạo ra như thế nào?

Transistor được làm từ silic, một nguyên tố hóa học có trong cát, thường không dẫn điện (nó không cho phép electron dễ dàng lưu chuyển qua). Silic là một chất bán dẫn, có nghĩa là nó không thực sự là dẫn điện (như kim loại cho phép điện chảy) hoặc cách điện (như nhựa ngăn điện chảy). Nếu chúng ta xử lý silic với tạp chất (một quá trình được gọi là đóng tạp chất), chúng ta có thể làm cho nó hành xử theo cách khác. Nếu chúng ta đóng tạp silic với các nguyên tố hóa học asen, photpho hoặc antimon, silic sẽ có thêm một số electron “tự do” – những electron có thể mang dòng điện – vì vậy electron sẽ dễ dàng chảy ra khỏi nó hơn. Vì electron có điện tích âm, silic được xử lý theo cách này được gọi là loại n (loại âm). Chúng ta cũng có thể đóng tạp silic với các tạp chất khác như boron, gallium và nhôm. Silic được xử lý theo cách này có ít electron “tự do” hơn, vì vậy electron trong các vật liệu lân cận sẽ có xu hướng chảy vào nó. Chúng tôi gọi loại silic này là loại p (loại dương).

Nhanh qua, điều quan trọng cần lưu ý là cả loại n hoặc loại p đều không thực sự có điện tích: cả hai đều trung tính về điện. Đúng là silic loại n có thêm electron “tự do” làm tăng khả năng dẫn điện của nó, trong khi silic loại p có ít electron “tự do” hơn, giúp tăng khả năng dẫn điện theo cách ngược lại. Trong mỗi trường hợp, khả năng dẫn điện tăng lên đến từ việc thêm nguyên tử trung tính (không mang điện tích) của tạp chất vào silic ban đầu cũng trung tính – và chúng ta không thể tạo ra điện tích từ hư không! Một lời giải thích chi tiết hơn sẽ buộc tôi phải đưa ra một ý tưởng gọi là lý thuyết vùng, điều này hơi vượt quá phạm vi của bài viết này. Tất cả những gì chúng ta cần nhớ là “electron dư thừa” có nghĩa là electron tự do dư thừa – những electron có thể di chuyển tự do và giúp mang dòng điện.

Ghép nối silic

Bây giờ chúng ta có hai loại silic khác nhau. Nếu chúng ta đặt chúng thành lớp, tạo thành bánh sandwich của vật liệu loại p và loại n, chúng ta có thể tạo ra các loại linh kiện điện tử khác nhau hoạt động theo nhiều cách khác nhau.

Giả sử chúng ta nối một miếng silic loại n với một miếng silic loại p và đặt các điện cực ở hai đầu. Những điều thú vị và hữu ích bắt đầu xảy ra tại vùng tiếp giáp giữa hai vật liệu. Nếu chúng ta bật dòng điện, chúng ta có thể làm cho electron chảy qua vùng tiếp giáp từ phía loại n sang phía loại p và ra ngoài qua mạch. Điều này xảy ra vì sự thiếu hụt electron ở phía loại p của vùng tiếp giáp kéo electron từ phía loại n và ngược lại. Nhưng nếu chúng ta đảo ngược dòng điện, electron sẽ không chảy qua. Ở đây, chúng ta đã tạo ra một thứ gọi là điốt (hoặc bộ chỉnh lưu). Đó là một linh kiện điện tử cho phép dòng điện chỉ chảy qua theo một hướng. Nó hữu ích nếu bạn muốn chuyển đổi dòng điện xoay chiều (hai chiều) thành dòng điện một chiều.

Cách một transistor tiếp giáp hoạt động

Bây giờ giả sử chúng ta sử dụng ba lớp silic trong bánh sandwich của chúng ta thay vì hai. Chúng ta có thể tạo ra một bánh sandwich p-n-p (với một lát silic loại n làm nhân giữa hai lát loại p) hoặc n-p-n (với loại p ở giữa hai lát loại n). Nếu chúng ta nối các điện cực với cả ba lớp của bánh sandwich, chúng ta có thể tạo ra một linh kiện sẽ khuếch đại dòng điện hoặc bật/tắt nó – nói cách khác, một transistor. Hãy xem nó hoạt động trong trường hợp của một transistor n-p-n.

Để chúng ta biết những gì chúng ta đang nói về, hãy đặt tên cho ba điện cực. Chúng ta sẽ gọi hai điện cực nối với hai miếng silic loại n là phát và thu, và điện cực nối với silic loại p chúng ta sẽ gọi là gốc. Khi không có dòng điện chảy qua transistor, chúng ta biết silic loại p thiếu electron (được thể hiện ở đây bằng các dấu cộng nhỏ, đại diện cho điện tích dương) và hai miếng silic loại n có electron dư (được thể hiện bằng các dấu trừ nhỏ, đại diện cho điện tích âm).

Một cách khác để nhìn nhận điều này là nói rằng trong khi loại n có dư electron, loại p có lỗ trống nơi electron nên có. Thông thường, các lỗ trống trong gốc hoạt động như một rào cản, ngăn chặn bất kỳ dòng điện đáng kể nào chảy từ phát đến thu khi transistor ở trạng thái “tắt”.

Một transistor hoạt động khi electron và lỗ trống bắt đầu di chuyển qua hai vùng tiếp giáp giữa silic loại n và loại p.

Hãy nối transistor với nguồn điện. Giả sử chúng ta đặt một điện áp dương nhỏ vào gốc, làm phát mang điện tích âm, và làm thu mang điện tích dương. Electron được kéo từ phát vào gốc – và sau đó từ gốc vào thu. Và transistor chuyển sang trạng thái “bật”:

Dòng điện nhỏ mà chúng ta bật ở gốc làm cho một dòng điện lớn chảy giữa phát và thu. Bằng cách chuyển đổi một dòng điện đầu vào nhỏ thành một dòng điện đầu ra lớn, transistor hoạt động như một bộ khuếch đại. Nhưng nó cũng hoạt động như một công tắc cùng lúc. Khi không có dòng điện ở gốc, hầu như không có dòng điện chảy giữa thu và phát. Bật dòng điện gốc và một dòng điện lớn sẽ chảy. Vì vậy, dòng điện gốc bật hoặc tắt toàn bộ transistor. Về mặt kỹ thuật, loại transistor này được gọi là bán dẫn vì hai loại (hoặc “cực tính”) điện tích khác nhau (electron âm và lỗ trống dương) tham gia vào việc tạo ra dòng điện.

Chúng ta cũng có thể hiểu một transistor bằng cách nghĩ về nó giống như một cặp điốt. Với gốc dương và phát âm, vùng tiếp giáp gốc-phát giống như một điốt được làm dẫn xuôi, với electron di chuyển theo một hướng qua vùng tiếp giáp (từ trái sang phải trong sơ đồ) và lỗ trống di chuyển theo hướng ngược lại (từ phải sang trái). Vùng tiếp giáp gốc-thu giống như một điốt được làm dẫn ngược. Điện áp dương của thu kéo hầu hết electron đi qua và vào mạch bên ngoài (mặc dù một số electron vẫn kết hợp với lỗ trống trong gốc).

Cách một transistor hiệu ứng trường (FET) hoạt động

Tất cả các transistor đều hoạt động bằng cách điều khiển chuyển động của electron, nhưng không phải tất cả chúng đều làm như nhau. Giống như một transistor tiếp giáp, một FET (transistor hiệu ứng trường) có ba đầu cực khác nhau – nhưng chúng có tên nguồn (tương tự phát), drain (tương tự thu) và cổng (tương tự gốc). Trong một FET, các lớp silic loại n và loại p được sắp xếp theo cách hơi khác và được phủ bằng các lớp kim loại và ôxít. Điều đó mang lại cho chúng ta một thiết bị gọi là MOSFET (Transistor Hiệu ứng Trường Bán dẫn Ôxít Kim loại).

Mặc dù có electron dư trong nguồn và drain loại n, chúng không thể chảy từ nguồn sang drain vì có lỗ trống trong cổng loại p ở giữa chúng. Tuy nhiên, nếu chúng ta đặt một điện áp dương vào cổng, một điện trường được tạo ra ở đó cho phép electron chảy trong một kênh mỏng từ nguồn đến drain. Hiệu ứng trường này cho phép dòng điện chảy và bật transistor:

Để hoàn chỉnh, chúng ta có thể lưu ý rằng MOSFET là một transistor đơn cực vì chỉ có một loại (“cực tính”) điện tích tham gia vào việc làm cho nó hoạt động.

Transistor hoạt động trong máy tính và máy tính bỏ túi như thế nào?

Trên thực tế, bạn không cần phải biết bất kỳ thông tin nào về electron và lỗ trống trừ khi bạn sẽ thiết kế chip máy tính để kiếm sống! Tất cả những gì bạn cần biết là một transistor hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc công tắc, sử dụng một dòng điện nhỏ để bật một dòng điện lớn hơn. Nhưng có một điều khác đáng biết: làm thế nào tất cả điều này giúp máy tính lưu trữ thông tin và đưa ra quyết định?

Chúng ta có thể kết hợp một vài công tắc transistor để tạo ra một thứ gọi là cổng logic, so sánh một vài dòng điện đầu vào và đưa ra đầu ra khác nhau tùy theo kết quả. Cổng logic cho phép máy tính đưa ra những quyết định rất đơn giản bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học gọi là đại số Boolean. Não của bạn cũng đưa ra quyết định theo cách tương tự. Ví dụ, bằng cách sử dụng “đầu vào” (những gì bạn biết) về thời tiết và những gì bạn có trong hành lang, bạn có thể đưa ra quyết định như: “Nếu trời mưa VÀ tôi có một chiếc ô, tôi sẽ đi siêu thị”. Đó là một ví dụ về đại số Boolean sử dụng toán tử AND (từ toán tử chỉ là một thuật ngữ toán học để làm cho mọi thứ có vẻ phức tạp hơn thực tế). Bạn có thể đưa ra những quyết định tương tự với các toán tử khác. “Nếu trời gió HOẶC tuyết rơi, tôi sẽ mặc áo khoác” là một ví dụ về việc sử dụng toán tử OR. Hoặc thế này “Nếu trời mưa VÀ tôi có ô HOẶC tôi có áo khoác thì được phép ra ngoài”. Bằng cách sử dụng AND, OR và các toán tử khác gọi là NOR, XOR, NOT và NAND, máy tính có thể cộng hoặc so sánh số nhị phân. Ý tưởng đó là nền tảng của các chương trình máy tính: chuỗi hướng dẫn logic làm cho máy tính thực hiện các công việc.

Thông thường, một transistor tiếp giáp ở trạng thái “tắt” khi không có dòng điện gốc và chuyển sang “bật” khi dòng điện gốc chảy. Điều đó có nghĩa là cần có dòng điện để bật hoặc tắt transistor. Nhưng các transistor như vậy có thể được kết nối với các cổng logic sao cho các kết nối đầu ra của chúng cung cấp phản hồi cho đầu vào của chúng. Sau đó, transistor vẫn bật ngay cả khi dòng điện gốc bị loại bỏ. Mỗi lần một dòng điện gốc mới chảy, transistor “lật” sang bật hoặc tắt. Nó vẫn ở trong một trong những trạng thái ổn định đó (bật hoặc tắt) cho đến khi một dòng điện khác đến và lật nó sang trạng thái còn lại. Loại sắp xếp này được gọi là flip-flop và nó biến một transistor thành một thiết bị bộ nhớ .