Transistor là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Transistor

Transistor là linh kiện bán dẫn cơ bản, đóng vai trò thiết yếu trong hầu hết các mạch điện tử hiện đại. Với khả năng hoạt động như công tắc hoặc bộ khuếch đại tín hiệu điện, transistor cho phép điều khiển dòng điện một cách chính xác, giảm kích thước và tiêu thụ năng lượng so với ống chân không truyền thống.

Về mặt vật liệu, transistor thường được chế tạo từ silic hoặc các vật liệu bán dẫn khác như gallium arsenide (GaAs). Bản chất bán dẫn của chúng cho phép điều khiển khả năng dẫn điện thông qua biến đổi điện áp hoặc dòng điện nhỏ tại một cực điều khiển.

Ứng dụng của transistor rất đa dạng, bao gồm vi xử lý, bộ nhớ, mạch khuếch đại âm thanh, mạch điều khiển công suất, cảm biến và nhiều thiết bị số. Chính nhờ transistor mà các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn, hiệu suất cao và ít tiêu thụ năng lượng hơn.

Lịch sử và phát triển

Phát minh transistor đánh dấu bước ngoặt từ kỷ nguyên ống chân không sang kỷ nguyên bán dẫn. Năm 1947, tại Bell Labs (Mỹ), ba nhà khoa học John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley đã chế tạo thành công transistor đầu tiên.

Năm 1956, ba nhà khoa học trên cùng nhận Giải Nobel Vật lý nhờ phát minh đột phá này. Kể từ đó, transistor không ngừng được cải tiến về kích thước và hiệu suất theo định luật Moore, trong đó số lượng transistor trên một con chip tích hợp tăng gấp đôi sau mỗi 18–24 tháng.

• 1947: Phát minh transistor điểm tiếp xúc (point-contact transistor).
• 1951: Ra đời transistor nối tiếp (junction transistor) với cấu trúc PNP và NPN.
• 1960s: Phát triển MOSFET đầu tiên, mở đường cho vi mạch tích hợp (IC).
• 1970s–nay: Thu nhỏ công nghệ (FinFET, GAAFET), nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Định luật Moore, đặt theo tên Gordon E. Moore – đồng sáng lập Intel, đã trở thành kim chỉ nam cho ngành công nghiệp bán dẫn, thúc đẩy các công ty tiếp tục nghiên cứu và phát triển transistor ngày càng nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Cấu trúc và phân loại

Hai dòng transistor chính được sử dụng rộng rãi là BJT (Bipolar Junction Transistor) và MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor).

Loại	Cấu trúc	Ưu điểm	Nhược điểm
BJT	NPN hoặc PNP, gồm ba lớp bán dẫn (Emitter, Base, Collector)	Khuếch đại cao, đáp ứng tần số vừa phải	Tiêu thụ dòng điều khiển (Base current)
MOSFET	Kênh N hoặc P, gồm cổng (Gate), đế cách điện oxide, nguồn (Source), và máng (Drain)	Điện trở đầu vào rất cao, tiêu thụ năng lượng thấp	Nhạy cảm điện tích tĩnh, chi phí công nghệ cao

Trong thực tế, MOSFET chiếm ưu thế trong vi mạch số nhờ khả năng chuyển mạch nhanh và tích hợp hàng tỷ transistor trên một die.

• BJT: Phù hợp cho các mạch khuếch đại analog, radio.
• MOSFET: Thích hợp cho vi xử lý, bộ nhớ, mạch logic.

Nguyên lý hoạt động

Đối với BJT, hoạt động dựa vào dòng điện nhỏ tại cực Base điều khiển dòng lớn giữa Emitter và Collector theo hệ số khuếch đại β:

$I_C = \beta I_B$

Khi tăng dòng Base, lớp bán dẫn Base–Emitter thuận, cho phép electron (trong NPN) hoặc lỗ trống (trong PNP) di chuyển và khuếch đại dòng qua Collector–Emitter.

Với MOSFET, nguyên lý là tạo ra kênh dẫn dưới cổng khi điện áp Gate–Source vượt ngưỡng V_th. Dòng Drain–Source tỷ lệ với độ rộng kênh, được mô tả trong vùng tuyến tính và vùng bão hòa:

• Vùng tuyến tính: $I_D = \mu C_{\mathrm{ox}} \frac{W}{L} \left[(V_{GS} - V_{th})V_{DS} - \frac{V_{DS}^2}{2}\right]$
• Vùng bão hòa: $I_D = \frac{1}{2} \mu C_{\mathrm{ox}} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{th})^2$

Trong đó, μ là độ di động mang điện, C_ox là điện dung ô-xít, W và L lần lượt là chiều rộng và chiều dài kênh.

Nhờ nguyên lý điện trường, MOSFET có điện trở đầu vào rất cao (gần như không có dòng cổng), giúp tiết kiệm năng lượng điều khiển và giảm thiểu tiêu thụ tĩnh.

Đặc tuyến và mô hình

Đặc tuyến dòng–điện áp (I–V) của transistor là cơ sở để phân tích và thiết kế mạch điện tử. Với BJT, đặc tuyến I_C–V_CE và hệ số khuếch đại β xác định vùng hoạt động: vùng cắt, vùng hoạt động tuyến tính và vùng bão hòa.

Trong mô hình large-signal, BJT được mô tả bằng các phương trình điện học phi tuyến, còn mô hình small-signal tuyến tính hóa quanh điểm hoạt động (Q-point) để tính đáp ứng tần số cao. Mô hình hybrid-π là phổ biến nhất cho phân tích small-signal, với các tham số như r_π (điện trở giữa base–emitter), g_m (độ dẫn điều khiển), và r_o (điện trở output).

Tham số	Ký hiệu	Giá trị quan trọng
Độ dẫn điều khiển	gm	≈ IC/(VT)
Điện trở base–emitter	rπ	β/gm
Điện trở output	ro	≈ VA/IC

• Vùng cắt: I_B = 0, transistor tắt.
• Vùng hoạt động tuyến tính: V_BE ≈ 0.7 V (NPN), I_C ≈ β·I_B.
• Vùng bão hòa: V_CE nhỏ, transistor dẫn tối đa, dùng làm công tắc.

Với MOSFET, mô hình cấp cao (SPICE Level 1–3, BSIM) mô tả chi tiết hiệu ứng kênh ngắn, hiệu ứng nhiệt và khả năng bão hòa, hỗ trợ thiết kế vi mạch tích hợp ở công nghệ nanomet.

Công nghệ chế tạo

Quy trình chế tạo transistor dựa trên công nghệ bán dẫn silic, bao gồm các bước chính:

1. Làm sạch wafer và tạo lớp oxit cách điện (SiO₂).
2. Photolithography: khắc họa hình mẫu bằng ánh sáng UV thông qua mặt nạ (mask).
3. Etching: loại bỏ lớp vật liệu không mong muốn để tạo cấu trúc cực.
4. Doping: khuếch tán hoặc cấy ion để tạo vùng bán dẫn P hoặc N.
5. Lắng đọng kim loại: tạo kết nối điện giữa các cực (aluminum, copper).
6. Passivation: phủ lớp bảo vệ chống ô-xi hóa và nhiễu điện môi.

Các công nghệ hiện đại như FinFET và GAAFET sử dụng cấu trúc 3D giúp giảm rò rỉ, tăng kiểm soát kênh dẫn và cho phép thu nhỏ kích thước transistor xuống ngưỡng 5 nm hoặc thấp hơn.

Công nghệ	Cấu trúc	Ưu điểm
Planar MOSFET	2D, kênh phẳng	Quen thuộc, chi phí thấp
FinFET	Fin đứng	Điều khiển kênh tốt hơn, rò rỉ thấp
GAAFET	Dây dẫn xung quanh	Kiểm soát kênh tối ưu, độ ổn định cao

Ứng dụng chính

Transistor hiện diện khắp nơi trong thiết bị điện tử:

• Vi xử lý và bộ nhớ: CPU, GPU, RAM sử dụng hàng tỷ MOSFET để thực hiện tính toán và lưu trữ dữ liệu.
• Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu âm thanh, RF, vi sóng trong thiết bị truyền thông và âm thanh cao cấp.
• Chuyển mạch công suất: MOSFET công suất điều khiển động cơ, nguồn xung trong thiết bị công nghiệp và xe điện.
• Cảm biến: Transistor dùng làm cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, áp suất nhờ hiệu ứng thay đổi đặc tính điện theo môi trường.

Ví dụ điển hình, bộ điều khiển nguồn trong máy tính để bàn sử dụng MOSFET công suất ON Semiconductor NTMFS5C628NL cho hiệu suất chuyển mạch cao và tổn hao thấp.

Chỉ số hiệu suất

Các thông số quan trọng khi đánh giá transistor bao gồm:

• Hệ số khuếch đại: β (BJT) hoặc g_m (MOSFET), ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng khuếch đại dòng.
• Điện trở bật: R_DS(on) (MOSFET), càng thấp càng giảm tổn hao công suất.
• Thời gian chuyển mạch: t_on, t_off, quan trọng với ứng dụng tần số cao và nguồn xung.
• Công suất tiêu tán: P_D, giới hạn nhiệt của linh kiện.
• Điện dung nội: C_gs, C_gd, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển mạch và tổn hao năng lượng.

Thông số	Biểu tượng	Đơn vị
Điện trở bật	RDS(on)	mΩ
Thời gian bật	ton	ns
Điện dung cổng	Cgs	pF
Công suất tiêu tán	PD	W

Xu hướng tương lai

Nghiên cứu tương lai tập trung vào các hướng chủ yếu:

1. Transistor 2D: Sử dụng vật liệu mỏng như graphene, MoS₂ để tăng mật độ tích hợp và giảm điện dung nội.
2. Thiết bị nano: Carbon nanotubes, nanowire cho quá trình dẫn điện hiệu suất cao, ít tiêu tán nhiệt.
3. Công nghệ quang–điện: Kết hợp transistor bán dẫn truyền thống với photonic để đạt tốc độ xử lý vượt trội và băng thông lớn.
4. Integrated AI hardware: Phát triển neuromorphic transistor cho phép tính toán theo mô phỏng hoạt động não bộ, tiết kiệm năng lượng cho AI tại edge devices.

Thế hệ transistor kế tiếp hứa hẹn sẽ mở ra kỷ nguyên mới cho điện toán hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng của Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI).

Tài liệu tham khảo

• S. M. Sze, K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, 2006.
• Y. Taur, T. H. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge University Press, 2013.
• R. Jacob Baker, CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, IEEE Press, 2019.
• ON Semiconductor, “NTMFS5C628NL Power MOSFET Datasheet,” 2020. Link
• Intel Corporation, “FinFET Technology: Enabling 7 nm and Beyond,” 2021. Link