Transistor Đã Thay Đổi Mọi Thứ. Đây Là Cách Chúng Hoạt Động

Tuần trước, tôi đã hé lộ vật lý thú vị đằng sau "kẻ trộm joule" – một mạch điện giúp bạn ép thêm năng lượng từ những cục pin tưởng như đã chết. Chìa khóa nằm ở sự kết hợp khéo léo giữa biến áp và transistor. Nhưng transistor xứng đáng có một bài viết riêng, bởi nó có lẽ là phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20.

Cuộc sống sẽ hoàn toàn khác nếu không có transistor. Không có nó, sẽ không có máy tính cá nhân hay điện thoại di động, kéo theo là không có Amazon, trò chơi điện tử, ứng dụng hẹn hò, tin nhắn, phát trực tuyến, mạng xã hội, Apple Pay, Google Maps và cả AI (ừm). Một chiếc ô tô hiện đại chứa hàng tỷ transistor. Chúng thực sự ở khắp mọi nơi. Vậy transistor là gì?

Cách tốt nhất để hiểu công nghệ then chốt này là đi theo dấu vết tiến hóa của nó, ngược dòng thời gian về những rơ-le điện dùng trong điện báo ở thế kỷ 19.

Rơ-le Điện (Electric Relays)

Các đường dây điện báo về cơ bản là những mạch điện dài. Và có lẽ bạn chưa từng nghĩ về điều này, nhưng chúng chạy bằng pin – loại pin thô sơ, điện áp thấp và chiếm cả một tủ lớn tại trạm điện báo – vì thời đó chưa có lưới điện quốc gia.

Rơ-le điện, được phát minh năm 1835, là thành phần chủ chốt trong các hệ thống này. Về cơ bản, nó là một công tắc bật/tắt dòng điện – giống như công tắc tường bạn dùng để bật đèn. Nhưng vì không có ngón tay, rơ-le dùng một dòng điện thứ hai để bật/tắt công tắc này. Vì sao lại dùng dòng điện để bật dòng điện? Đó là một câu hỏi hay.

Giả sử bạn muốn bật một bóng đèn ở thị trấn khác cách đó 80 km. Bạn sẽ giăng những sợi dây thật dài trên các cột điện. Sau đó, bạn có thể bật/tắt đèn, thậm chí dùng mã chấm – gạch để gửi tin nhắn văn bản. Nhưng có một vấn đề: Dây càng dài, điện trở càng lớn, nên dòng điện sẽ không đủ mạnh để truyền tín hiệu rõ ràng.

Giải pháp? Chia mạch thành hai đoạn dài 40 km và nối chúng bằng một rơ-le. Khi bạn đóng công tắc ở mạch thứ nhất, nó sẽ kích hoạt rơ-le, truyền cùng một mẫu dòng điện từ pin thứ hai qua mạch tiếp theo để bật đèn. Dưới đây là sơ đồ minh họa:

Sơ đồ mạch rơ-le điện

Tất nhiên, điện báo dùng còi buzzer thay vì bóng đèn, nhưng ý tưởng là giống nhau. Ngày nay rơ-le vẫn được dùng rộng rãi, và ý tưởng dùng một dòng điện để điều khiển một dòng điện khác đã mở ra vô số khả năng. Trong ô tô, nó cho phép bạn dùng các nút điều khiển trên bảng điều khiển điện áp thấp để bật các mạch công suất lớn như khởi động máy, đèn pha hay điều hòa.

Rơ-le hoạt động ra sao? Về cơ bản, nó chỉ là một nam châm điện. Bên trong có một cuộn dây quấn quanh lõi sắt. Khi dòng điện chạy qua dây điều khiển này, nó tạo ra từ trường. Từ trường này kéo công tắc kim loại phía trên xuống, tiếp xúc với dây đầu ra. Bạn đã từng nghe thấy âm thanh này rồi. Khi bộ điều nhiệt của lò nướng bật/tắt bộ phận làm nóng, chính rơ-le tạo ra tiếng click nghe được đó.

Mặc dù rơ-le hữu ích và thú vị, chúng chỉ là công tắc bật/tắt đơn giản. Chúng ta có một thứ khác giống như rơ-le biến thiên – đó là bóng chân không, được phát minh khoảng năm 1905, tạo nên những chiếc radio thời kỳ đầu.

Bóng Chân Không (Vacuum Tube)

Bạn có thể nghĩ bóng chân không như một bóng đèn sợi đốt biến thể. Bóng đèn sợi đốt chỉ là một sợi dây mảnh phát sáng khi dòng điện đi qua. Sợi dây đó được đặt trong một vỏ thủy tinh, không khí được hút ra ngoài để sợi tóc không bị cháy (đó là toàn bộ mục đích của bóng đèn – ngăn oxy tiếp xúc).

Nhưng còn một điều khác xảy ra mà bạn không thể nhìn thấy: Khi dây tóc trở nên cực nóng, các electron bị phóng ra khỏi nó. Vì dòng electron là một dòng điện, bạn có thể dùng các electron nhiệt này theo cách tương tự như rơ-le.

Sơ đồ và hình ảnh bóng chân không

Các electron truyền qua bóng đến một tấm thu (collector plate, tạo ra dòng điện đầu ra. Ban đầu, điều này nghe có vẻ ngớ ngẩn. Nhưng nếu thêm một dây dẫn (lưới điện cực) giữa dây tóc và tấm thu, ta có thể điều khiển dòng điện đầu ra này. Điện áp âm trên lưới sẽ đẩy electron ra xa tấm thu, giảm dòng đầu ra. Đặt điện áp dương lên lưới sẽ tăng dòng đầu ra.

Vậy đây cũng là một công tắc dòng điện, và giống như rơ-le, nó được điều khiển bởi một dây dẫn khác. Nhưng có hai khác biệt lớn: Thứ nhất, không có tiếp xúc cơ học, nghĩa là dòng đầu ra có thể thay đổi nhanh hơn nhiều. Thứ hai, dòng đầu ra không chỉ là bật/tắt; nó có thể thay đổi theo cường độ điện áp điều khiển.

Điều này tạo ra bộ khuếch đại âm thanh đầu tiên. Nếu bạn có tín hiệu yếu từ một đài phát thanh xa, nó không tạo đủ dòng điện để đẩy loa phát ra âm thanh nghe được. Nhưng nếu đưa tín hiệu đó vào điện áp điều khiển trong bóng chân không, bạn sẽ có đầu ra mạnh hơn nhiều nhưng vẫn giữ nguyên mẫu (như âm nhạc) của tín hiệu gốc.

Chưa hết! Bạn còn có thể làm một điều khác với bóng chân không – chế tạo máy tính. Vâng, những máy tính thời kỳ đầu chỉ là một đống bóng chân không được điều khiển bởi các bóng chân không khác, tạo thành các cổng logic. Bạn dùng tín hiệu đầu vào là 1 volt hoặc 0 volt. Cổng AND có hai đầu vào tín hiệu và một đầu ra. Nếu cả hai đầu vào đều là 1 volt, nó xuất ra 1 volt. Ngược lại, nó cho 0 volt. Cổng OR sẽ xuất ra 1 volt nếu một trong hai đầu vào là 1 volt.

Thực ra, bạn có thể xây máy tính bằng rơ-le điện. Nhưng rơ-le chậm hơn nhiều so với bóng chân không, và tất cả tiếng click – clack đó sẽ khiến bạn phát điên. Bóng chân không hoạt động im lặng, hoàn toàn bằng điện tử, không có bộ phận chuyển động, và đó là một bước ngoặt lớn.

Transistor – Cuộc Cách Mạng Thu Nhỏ

Tuy nhiên, bóng chân không có ba vấn đề lớn. Chúng tiêu tốn quá nhiều điện năng, nên các máy tính đầu tiên chạy rất nóng, đòi hỏi hệ thống làm mát đồ sộ và vận hành cực kỳ đắt đỏ. Thứ hai, bóng đèn rất dễ vỡ và cháy, nên máy tính đòi hỏi bảo trì liên tục (đúng nghĩa, phải có cả đội ngũ nhân viên làm việc toàn thời gian chỉ để tìm và thay bóng hỏng). Cuối cùng, bóng đèn quá lớn. Những máy tính thời kỳ đầu như ENIAC năm 1945 chiếm cả một căn phòng.

Transistor, được phát minh tại Phòng thí nghiệm Bell năm 1947, đã khắc phục tất cả những vấn đề này bằng cách sử dụng chất bán dẫn. Đó là một từ bạn nghe rất nhiều, nhưng chất bán dẫn là gì? Bạn biết rằng một số vật liệu (như đồng) dẫn điện, trong khi các vật liệu khác (như cao su) cách điện? Chất bán dẫn (như silicon) có thể chuyển đổi giữa hai trạng thái đó.

Có hai loại chất bán dẫn: Nếu thêm electron vào silicon, bạn có chất bán dẫn loại n (n-type); nếu loại bỏ electron, bạn có loại p (p-type). Electron, tất nhiên, mang điện tích âm, nên các electron bị thiếu hoạt động như điện tích dương, và chúng được gọi là "lỗ trống electron" (electron holes).

Một transistor được tạo ra bằng cách kết hợp các loại chất bán dẫn khác nhau. Dưới đây là một ví dụ gọi là transistor NPN:

Minh họa cấu trúc transistor NPN

Hai chất bán dẫn loại n được ngăn cách bởi một lớp loại p. Điều này ngăn electron di chuyển từ vùng đầu vào (cực phát) đến vùng đầu ra (cực thu). Tuy nhiên, nếu đặt một điện áp vào cực điều khiển (cực gốc), thì electron có thể di chuyển đến đầu ra. Đúng vậy, một lần nữa, về cơ bản nó là một công tắc, nơi một dòng điện bật dòng điện thứ hai – nhưng giờ đây với khả năng điều khiển tinh vi hơn nhiều.

Tốt nhất là, chúng có thể được thu nhỏ – và ôi chao, chúng được thu nhỏ đến mức không tưởng. Những chiếc radio sàn cồng kềnh bị thay thế bởi "radio transistor" mà giới trẻ mang khắp nơi trong những năm 1950 và 1960. Chúng chứa từ 6 đến 10 transistor. Ngày nay, iPhone 17 Pro chứa tới 30 tỷ transistor. Con số đó thật điên rồ, nhưng chính nó là thứ khiến thế giới máy tính của chúng ta vận hành được.

Với người dùng Việt Nam, sự phổ biến của transistor cũng gắn liền với sự bùng nổ của các thiết bị điện tử giá rẻ và máy tính cá nhân từ những năm 1990. Từ những chiếc radio transistor nhập khẩu thời bao cấp đến những chiếc smartphone thông minh ngày nay, hành trình của transistor chính là hành trình đưa công nghệ đến gần hơn với mọi gia đình.