Điện tử là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan về Điện tử

Định nghĩa điện tử

Điện tử (electronics) là ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng hiện tượng chuyển động của electron trong các vật liệu dẫn điện và bán dẫn. Phạm vi bao gồm thiết kế, chế tạo và vận hành các mạch, thiết bị điện tử nhằm thực hiện chức năng xử lý, truyền tải, khuếch đại và lưu trữ thông tin. Điện tử phân tích và điều khiển khả năng dẫn điện của vật liệu, từ đó tạo ra các linh kiện như diode, transistor hay mạch tích hợp, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển tự động, vi xử lý và vi điều khiển.

Khái niệm điện tử khác biệt so với điện cơ bản ở chỗ tập trung vào sự điều khiển vi mạch và hành vi của hạt electron trong bán dẫn, thay vì chỉ dựa trên dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại. Điện tử ứng dụng rộng rãi trong viễn thông, tin học, y sinh, tự động hóa và vi cơ điện. Sự phát triển của ngành điện tử đã tạo nền tảng cho cuộc cách mạng công nghệ thông tin và truyền thông hiện đại.

Ứng dụng điện tử bao gồm mạch tương tự (analog) và mạch số (digital). Mạch tương tự vận hành với tín hiệu liên tục, chịu tác động của tần số và biên độ, trong khi mạch số xử lý tín hiệu rời rạc theo mức logic 0 và 1. Sự kết hợp hai loại mạch này (mixed-signal) cho phép thiết bị điện tử hiện đại vừa xử lý tín hiệu analog từ cảm biến vừa thực hiện tính toán số học trong vi xử lý.

Lịch sử phát triển

Những khám phá ban đầu về electron vào cuối thế kỷ 19 (J.J. Thomson, 1897) mở đường cho việc phát minh bóng đèn chân không, diode và các ống điện tử. Bóng đèn chân không (vacuum tube) từng là linh kiện chủ đạo, cho phép khuếch đại tín hiệu và đóng vai trò then chốt trong máy thu thanh, máy tính đầu tiên và radar.

Giai đoạn từ cuối thập niên 1940 đến đầu thập niên 1950 chứng kiến cuộc cách mạng transistor tại Bell Labs, với Thomas J. Watson Jr. và nhóm nghiên cứu Bernstein phát triển transistor bán dẫn đầu tiên vào năm 1947. Transistor nhanh chóng thay thế bóng đèn chân không nhờ kích thước nhỏ, độ bền cao, tiêu thụ điện năng thấp và khả năng hoạt động ở tần số cao.

Những năm 1960–1970 đánh dấu sự ra đời của mạch tích hợp (Integrated Circuit) do Jack Kilby (Texas Instruments) và Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) độc lập phát triển. Sự tích hợp hàng loạt transistor và linh kiện trên một đế bán dẫn tạo ra vi xử lý đầu tiên, mở ra kỷ nguyên vi mạch với khả năng tính toán mạnh mẽ và chi phí sản xuất giảm sâu.

Trong thập niên 1980 và 1990, công nghệ CMOS và quy trình bán dẫn đã được cải tiến liên tục, dẫn đến vi xử lý đa lõi, bộ nhớ flash và linh kiện công suất cao. Thế kỷ 21 chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ nano, vật liệu mới như graphene, perovskite và điện tử linh hoạt (flexible electronics), đồng thời tích hợp Internet vạn vật (IoT) và điện tử lượng tử vào nghiên cứu phát triển.

Nguyên lý cơ bản

Cơ sở lý thuyết của điện tử là hiện tượng chuyển động của electron trong vật liệu dẫn và bán dẫn dưới tác động của điện trường. Dòng điện I tính theo đơn vị ampe (A) tỷ lệ thuận với điện áp U theo định luật Ohm: U = R·I, trong đó R là điện trở (Ω). Sự hiểu biết về đặc tính I–V (dòng–áp) của diode và transistor p–n junction cho phép thiết kế mạch chỉnh lưu, khuếch đại và chuyển mạch.

Hiệu ứng bán dẫn quan trọng bao gồm:

• Hiệu ứng p–n junction: tạo ra diode với khả năng dẫn thuận, cản nghịch.
• Hiệu ứng trường (FET): điều khiển dòng bằng điện áp đặt lên cổng.
• Hiệu ứng khuếch đại (BJT): dòng điện cực đại được kiểm soát bởi dòng (base).

Định luật / Hiệu ứng	Phương trình	Ứng dụng
Định luật Ohm	$U = R \times I$	Thiết kế mạng điện trở, mạch phân áp
Định luật Kirchoff	∑V = 0; ∑I = 0	Phân tích mạch phức hợp
Điện áp ngưỡng diode	$I = I_S(e^{qV/kT}-1)$	Chỉnh lưu, nhận diện tín hiệu

Khái niệm về trở kháng, tần số cộng hưởng và hệ số nhiễu cũng là thành phần không thể thiếu khi thiết kế mạch cao tần, hệ thống truyền tín hiệu và khối lọc analog.

Linh kiện điện tử

Linh kiện điện tử chia thành hai nhóm chính: linh kiện thụ động và linh kiện chủ động. Linh kiện thụ động không khuếch đại tín hiệu, bao gồm điện trở (resistor), tụ điện (capacitor) và cuộn cảm (inductor). Linh kiện chủ động có khả năng điều khiển và khuếch đại, tiêu biểu là diode, transistor và mạch tích hợp (IC).

• Điện trở: chia áp, hạn dòng, điều chỉnh mức tín hiệu.
• Tụ điện: lưu trữ năng lượng, lọc tần số, ghép và tách tín hiệu.
• Diode: chỉnh lưu, bảo vệ ngược, phát quang (LED).
• Transistor: khuếch đại, chuyển mạch; gồm BJT, MOSFET, JFET.
• Mạch tích hợp (IC): vi xử lý, vi điều khiển, bộ nhớ, mạch tương tự.

Linh kiện	Chức năng chính	Ứng dụng tiêu biểu
Resistor	Chia áp, hạn dòng	Mạch phân áp, mạch kháng dòng
Capacitor	Lọc, ghép tín hiệu	Nguồn lọc, mạch cộng hưởng
BJT	Khuếch đại dòng	Mạch khuếch đại âm thanh
MOSFET	Chuyển mạch, khuếch đại	Bộ nguồn xung, mạch số

Cấu trúc vật lý, tiêu chuẩn chân và đặc tính nhiệt độ của mỗi linh kiện được quy định chặt chẽ, giúp kỹ sư điện tử lựa chọn và thiết kế mạch phù hợp với yêu cầu hiệu suất, bền bỉ và chi phí.

Mạch điện tử

Mạch điện tử là tập hợp các linh kiện được kết nối theo sơ đồ mạch để thực hiện chức năng cụ thể như khuếch đại, xử lý tín hiệu, chuyển mạch hoặc điều khiển. Mạch tương tự (analog) hoạt động với tín hiệu điện liên tục, trong khi mạch số (digital) xử lý tín hiệu rời rạc ở hai mức logic 0 và 1.

Trong thiết kế mạch tương tự, các khối chính bao gồm mạch khuếch đại (amplifier), mạch lọc (filter) và mạch dao động (oscillator). Kỹ sư sử dụng phần mềm mô phỏng như SPICE để phân tích đáp ứng tần số, độ ổn định và nhiễu của mạch trước khi triển khai trên bản mạch in.

Mạch số bao gồm các cổng logic (AND, OR, NOT), flip-flop lưu trữ bit và bộ đếm, thường được thiết kế bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) như VHDL hoặc Verilog, sau đó tổng hợp thành mạch tích hợp hoặc FPGA.

• Mạch hỗn hợp (mixed-signal): tích hợp cả phần analog và digital, ví dụ ADC (Analog-to-Digital Converter) và DAC (Digital-to-Analog Converter).
• Mạch công suất (power electronics): dùng transistor công suất để điều khiển nguồn điện, như mạch biến tần và bộ nguồn xung (SMPS).
• Mạch RF (radio frequency): thiết kế khối lọc và khuếch đại tần số cao cho truyền thông không dây.

Loại mạch	Chức năng chính	Công cụ thiết kế
Tương tự	Khuếch đại, lọc, dao động	SPICE, ADS
Số	Xử lý logic, lưu trữ	VHDL, Verilog, Quartus
Mixed-signal	Chuyển đổi A/D, D/A	Cadence, Mentor
Công suất	Điều khiển nguồn	Plecs, MATLAB/Simulink

Vật liệu bán dẫn

Vật liệu bán dẫn là nền tảng cho hầu hết linh kiện điện tử nhờ khả năng khống chế dẫn điện bằng cách điều chỉnh tạp chất (doping). Silic (Si) là vật liệu phổ biến nhất nhờ nguồn nguyên liệu dồi dào và quy trình chế tạo成熟, theo nghiên cứu của NIST.

Germani (Ge) từng được sử dụng trong các transistor đầu tiên, tuy nhiên có nhiệt độ hoạt động thấp hơn. Hợp chất III-V như gallium arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP) có ưu thế về tốc độ và khả năng phát quang, thường dùng trong mạch tần số cao và diode laser.

• Silic (Si): dẻo, dễ chế tạo, giá thành thấp.
• GaAs, InP: hiệu suất cao tần số vi sóng, phát quang.
• Graphene, perovskite: vật liệu mới nghiên cứu cho điện tử linh hoạt và quang điện tử.

Các tiến bộ trong xử lý wafer, lithography và công nghệ 7 nm, 5 nm tiếp tục đẩy giới hạn mật độ transistor và hiệu năng vi xử lý, theo lộ trình Moore's Law do IEEE đặt ra.

Xử lý tín hiệu điện tử

Xử lý tín hiệu điện tử (signal processing) là kỹ thuật phân tích, biến đổi và trích xuất thông tin từ tín hiệu analog hoặc digital. Trong hệ thống viễn thông, tín hiệu analog được điều chế (modulation) để truyền qua kênh, sau đó giải điều chế (demodulation) tại máy thu.

Các phương pháp điều chế phổ biến gồm AM (Amplitude Modulation), FM (Frequency Modulation) và PSK (Phase Shift Keying). Trong tín hiệu digital, OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) được ứng dụng rộng rãi trong Wi-Fi và 4G/5G.

• Lọc tín hiệu: lọc thông thấp, thông cao, thông dải để loại bỏ nhiễu.
• Biến đổi Fourier: FFT phân tích phổ tần, thiết kế bộ lọc số.
• Lọc Kalman: ước lượng trạng thái cho hệ thống động.

Trong xử lý ảnh và âm thanh, các thuật toán nén (JPEG, MP3), khử nhiễu và nhận dạng mẫu (pattern recognition) đóng vai trò quan trọng, hỗ trợ các ứng dụng từ camera an ninh đến trợ lý giọng nói.

Ứng dụng chính

Điện tử ảnh hưởng toàn diện đến cuộc sống hiện đại qua các lĩnh vực:

• Viễn thông: thiết bị di động, mạng 5G, vệ tinh, cáp quang (ITU).
• Tự động hóa công nghiệp: PLC, hệ thống SCADA, robot sản xuất.
• Y sinh: máy siêu âm, thiết bị theo dõi tim mạch, cấy ghép điện tử (FDA Medical Devices).
• Điện tử tiêu dùng: TV, thiết bị gia dụng thông minh, wearables.
• Hàng không vũ trụ: radar, hệ thống điều khiển bay, cảm biến gia tốc.

Công nghệ mới và xu hướng tương lai

Internet vạn vật (IoT) kết nối hàng tỉ thiết bị, đòi hỏi linh kiện siêu tiết kiệm năng lượng và bảo mật cao. Công nghệ 5G/6G mở rộng băng thông và giảm độ trễ, hỗ trợ ứng dụng tự lái và telemedicine.

Điện tử linh hoạt (flexible electronics) và in ấn 3D cho phép tích hợp mạch lên bề mặt cong, ứng dụng trong y tế dán da, theo dõi sinh học. Các bộ cảm biến in (printed sensors) ngày càng nhỏ gọn và ít tốn kém.

Điện tử sinh học (bioelectronics) kết hợp linh kiện bán dẫn với mô sống để tạo khớp nối thần kinh cấy ghép, điện cực não và thiết bị điều trị rung tâm nhĩ. Điện tử lượng tử (quantum electronics) sử dụng hiện tượng chồng chập và vướng víu để phát triển máy tính lượng tử và cảm biến cực kỳ nhạy.

Tài liệu tham khảo

• Institute of Electrical and Electronics Engineers. (2021). IEEE Standard 1801™–2021: Design and Verification. Truy cập tại IEEE Xplore
• National Institute of Standards and Technology. (2020). Semiconductor Metrology and Standards. Truy cập tại nist.gov
• All About Circuits. (n.d.). Signal Processing Tutorials. Truy cập tại allaboutcircuits.com
• International Telecommunication Union. (2022). IMT-2020 and Beyond. Truy cập tại itu.int
• Food and Drug Administration. (2021). Medical Device Overview. Truy cập tại FDA