2.1 Từ lưỡng chuyển tiếp đến transistor bán dẫn
2.1.3 Transistors lưỡng cực
Trước những năm 1950, trái tim của các thiết bị electronics là một linh kiện, hoạt động dựa trên hiện tượng phóng điện trong chân khơng (vacuum tube). Linh kiện này cồng kềnh, dễ vỡ, thời gian sống ngắn, lại tiêu hao nhiều điện. Vào năm 1947-1948, vật lý và công nghệ bán dẫn đã chiêm nghiệm một cuộc cách mạng vĩ đại: ba nhà vật lý Mỹ, John Bardeen (1908-1991), Walter Brattain (1902-1987), và William Shockley (1910-1989) ở Bell Laboratory đã phát triển thành công thế hệ transistors đầu tiên, dựa trên các chuyển tiếp bán dẫn (khi ấy là Ge), thường gọi là transistors lưỡng cực (bipolar transistors).
Hình 2.4: Mơ tả hoạt động của transistor lưỡng cực: Dịng base Ib rất nhỏ có thể điều tiết một dòng collector Ic rất lớn.
của nguồn Vec được nối vào emitter (e). Khi đó, với chuyển tiếp p-n (emitter- base), thì điện áp đặt vào là điện áp thuận. Còn, với chuyển tiếp n-p (base- collector), thì điện áp đặt vào lại là điện áp ngược. Lại giả dụ là, cực âm của nguồn Veb được nối với base.
Trong thực tế, emitter luôn được pha tạp với mật độ cao hơn nhiều so với base. Khi có điện áp như trên hình 2.4, dịng Ie đi qua chuyển tiếp emitter- base là dòng thuận, mang holes từ emitter vào base. Các holes này tái hợp với các electron do dòng Ib mang đến base. Nhưng số holes đến từ emitter thì nhiều (vì emitter có mật độ tạp cao), mà lượng electron ở base thì ít (vì base thường rất mỏng), nên chỉ một phần nhỏ holes được tái hợp với electron ở base, đa phần cịn lại tích tụ ở base, để rồi thoát qua chuyển tiếp base- collector sang miền collector để tạo thành dòng lối ra Ic. Nếu gọi Wn là độ rộng của miền base, và Lp là độ rộng của miền emitter hay collector, thì phần các holes chuyển từ base qua collector sẽ là α = 1 − /2 . Base càng mỏng so với emitter (collector) thì tỉ lệ holes chuyển sang collector càng cao. Trong thực tế thường có α ≈ 0, 9 − 0, 999.
Bây giờ, với α là tỉ lệ lượng holes từ base vào collector (so với lượng holes từ emitter vào base), ta viết được Ic = α Ie. Mặt khác, theo sơ đồ trên hình 2.4, thì Ie = Ib + Ic. Phối hợp hai hệ thức này, ta có:
Ic = β Ib (2.1.2)
trong đó β = α/(1 − α). Với α = 0, 9 − 0, 999 thì β = 9 − 999, nghĩa là dòng lối ra Ic tỉ lệ với dòng base Ib bằng một hệ số tỉ lệ rất lớn. Đây là khả năng khuyếch đại của transistor: nếu muốn khuyếch đại một dòng (một tín hiệu thay đổi theo thời gian), ta chỉ việc đặt nó vào base, khi đó dịng (tín hiệu) ra ở collector sẽ hàng chục, trăm hay ngàn lần mạnh hơn. Và đây cũng chính là nguyên lí hoạt động của transistor lưỡng cực.
bền hơn (khơng vỡ), thời gian sống coi như khơng có giới hạn, và tiêu tốn rất ít năng lượng. Những chiếc transistor lưỡng cực đầu tiên được chế tạo trên cơ sở Ge, nhưng ngay từ năm 1954 công nghệ Si đã được phát triển, và chỉ một năm sau, 1955, ở Mỹ đã xuất hiện computer đầu tiên cấu thành từ transistor lưỡng cực dựa trên Si. Đến khoảng 1960, transistors đã thay thế hoàn toàn cho các ống chân không, mà ngày nay chúng chỉ có thể tìm thấy trong các bảo tàng công nghệ. Năm 1956, Bardeen, Brattain, và Shockley đã được nhận Nobel vật lý vì phát minh mang tính cách mạng của mình.
2.1.4 Transistor hiệu ứng trường và mạch tích hợp
Trước những địi hỏi khơng ngừng của công nghệ electronics, transistor lưỡng cực tỏ ra kém hiệu quả và có nhiều bất tiện. Các linh viện vẫn quá cồng kềnh, ngốn nhiều năng lượng, mà hiệu quả lại thấp. Một computer thế hệ transistor lưỡng cực cùng với phụ kiện thường chiếm cả một tầng nhà. Người ta mong muốn, làm sao các linh kiện có thể liên kết chặt với nhau trên chỉ một bề mặt, nhờ đó có thể thu hẹp kích thước của các thiết bị. Vào những năm 1960, mong muốn này dần trở thành hiện thực với sự xuất hiện một loại transistor mới gọi là transistor hiệu ứng trường.
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của Si-MOSFET.
Hình 2.5 là sơ đồ cấu trúc của một transistor hiệu ứng trường điển hình, thường gọi là MOSFET. Source và Drain được nối với hai miền bán dẫn loại n ở hai đầu của cấu trúc. Hai miền này nối với nhau bằng một kênh hẹp của
bán dẫn loại n (n-channel). Tất cả được đặt trên một đế là bán dẫn loại p (chẳng hạn p-Si). Ta có thể thấy, kênh loại n và đế loại p làm thành một chuyển tiếp. Phía trên cấu trúc cịn có một gate bằng kim loại. Gate này cách bức với khối bán dẫn phía dưới bằng một lớp điện mơi tốt (chẳng hạn SiO2), nghĩa là điện tích khơng thể chuyển từ gate xuống cấu trúc phía dưới cũng như ngược lại.
Giả sử, một điện áp ngoài được đặt vào source và drain, nhưng điện thế gate thì bằng khơng, Ug = 0 (gate khơng nối với nguồn thế). Khi đó, người ta thường nói là MOSFET ở trạng thái "on". Điện trở R0 của kênh n phụ thuộc vào chiều dài, bề dầy và độ dẫn điện của kênh. Như vậy, khi Ug = 0, kênh n có một điên trở R0, hay một độ dẫn điện G0 = 1/R0 nào đó.
Nếu điện áp gate là dương, Ug > 0, thì điên trường của gate hướng xuống dưới, nó sẽ kéo electron từ miền phía dưới chuyển động lên trên, tới kênh dẫn, tham gia mang dòng, làm cho độ dẫn điện của kênh tăng lên. Ngược lại, nếu Ug < 0, điện trường của gate sẽ hướng lên trên, nó làm giảm số electron trên kênh n, và do đó độ dẫn điện của kênh giảm.
Bây giờ, nếu đặt vào gate một thế biến đổi (chẳng hạn, thế dạng hình sin), thì rõ ràng là, sự biến đổi của thế gate sẽ làm cho độ dẫn điện của kênh n, và do đó dịng source-drain biến đổi theo. Một thay đổi nhỏ của thế gate cũng dẫn đến một thay đổi lớn của dịng source-drain. Đó chính là khả năng phóng đại tín hiệu của MOSFET. Về cơ bản, nguyên lí hoạt động của MOSFET cũng giống như của transistor lưỡng cực, cho dù ở trường hợp đầu tín hiệu vào là thế gate, cịn ở trường hợp sau là dòng base.
Với sự xuất hiện của transistor hiệu ứng trường, công nghệ electronics bán dẫn lại đã trải nghiêm một cuộc cách mạng nữa. Ngay từ năm 1952, trong một hội thảo hàng năm về các thiết bị điện ở Washington DC, Jeffri Dammers
đã nhận xét rằng, với sự ra đời của transistor bán dẫn, các thiết bị electronic rồi sẽ được gói gọn trong từng khối (block) riêng biệt chắc chắn, khơng cịn các dây nối chằng chịt nữa. Tuy nhiên, cũng phải đến năm 1958-1959, hai nhà khoa học Mỹ, Jack Kilby ở Texas Instruments và Robert Noyce (1927-1992) ở Fairchild Camera and Instrument mới độc lập trình làng những mạch tích hợp (integrated cỉcuit - IC) đầu tiên. Mạch tích hợp thương mại đầu tiên, xuất hiện vào năm 1961, mới chỉ gồm 4 transistor và 2 điện trở, tất cả chỉ có 6 linh kiện, nằm trên một bản Si đường kính 1 cm. Hai năm sau, số linh kiện trong một IC đã tăng lên 10 - 20, mà kích thước thì giảm xuống chỉ cịn 3 − 5 mm. IC là tập hợp các linh kiện (transistors, diodes, điện trở, tụ điện) được gắn kết trên một bản Si riêng rẽ (thường gọi là "chip"). Mong muốn của các nhà công nghệ là, tăng số linh kiện trong một con chip lên càng nhiều càng tốt. Từ 1960 đến gần đây số linh kiện trên một con chip ở năm sau gần như gấp đôi ở năm trước, và hiện nay con số này đã lên tới vài trăm triệu.
Ngày nay khơng cịn ai nói về một transistor hay một diode riêng lẽ nữa. Yếu tố cơ bản cấu thành các thiết bị electronics bây giờ là IC. Từ các nhà sản xuất thiết bị mới đến những người sửa chữa thiết bị cũ, người ta chỉ đặt hàng các IC: IC với chức năng này, IC với đặc tính kia. Khơng cịn ai biết transistor hay tụ điện hình thù ra sao nữa. IC là trái tim của tất cả các thiết bị electronic hiên đại. Công năng của một chiếc laptop ngày nay (dùng IC) với kích thước của một cuốn vở học sinh, còn mạnh hơn nhiều so với một máy tính thế hệ 2 (cấu thành từ các linh kiện riêng rẽ) với kích thước của những căn phòng.