MOSFET: Phát minh quan trọng nhất thế kỷ 20
Mục lục:
- Giới thiệu về transistor và ý nghĩa của nó
- Lịch sử phát triển của transistor
- Đặc điểm và cách hoạt động của transistor
- Ứng dụng của transistor trong các thiết bị điện tử hiện đại
- Công nghệ sản xuất transistor và sự tiến bộ của vi mạch tích hợp
- Mosfet - transistor dựa trên MOS
- Mosfet và vai trò của nó trong bộ nhớ và thiết bị điện tử
- Mosfet và sự phát triển của công nghệ transistor
- Giới hạn của luật Moore và tương lai của transistor
- Các ứng dụng tiềm năng của transistor trong tương lai
Transistor: Công nghệ định hình thế giới hiện đại 💡
Trong danh sách các phát minh quan trọng thay đổi thế giới, transistor được xem là một trong những ứng cử viên hàng đầu. Trong thế kỷ 20, có nhiều phát minh đáng xem như tàu phản lực, máy bay, truyền hình, internet, máy tính và kháng sinh. Tuy nhiên, có một phát minh mà ảnh hưởng đến cuộc sống của hầu hết mọi người trên hành tinh này hàng ngày, mặc dù chỉ vài người nhìn thấy trực tiếp. Đó chính là transistor, một thiết bị được sản xuất phổ biến nhất trong lịch sử.
1. Giới thiệu về transistor và ý nghĩa của nó
Trong năm 1954, radio transistor đầu tiên trên thế giới, Regency TR1, được sử dụng bốn transistor NPN của Texas Instruments và có giá 49,95 đô la (tương đương với khoảng 507 đô la vào năm 2021). Ngày nay, một thẻ nhớ SD dung lượng 512 gigabyte có thể chứa hàng tỷ transistor và chỉ có giá khoảng 30 đô la. Được ước tính từ năm 2018, đã có khoảng 13 sextillion transistor (13 tỷ triệu tỷ) được sản xuất kể từ năm 1960, con số này ngày càng tăng theo hàng ngàn tỷ mỗi ngày và với tốc độ gia tăng ngày càng tăng.
Không có sản phẩm nào khác do con người tạo ra tiến triển kể cả sự thay đổi nhanh chóng mà transistor đã trải qua trong hơn 60 năm qua và đã tạo ra các công nghệ và khám phá thay đổi thế giới, góp phần vượt xa giới hạn của ngành điện tử.
2. Lịch sử phát triển của transistor
Được phát minh lần đầu tiên vào năm 1947, transistor là sản phẩm sau cùng của quá trình phát triển từ van điện tử hay ống hút. Trước khi transistor ra đời, van điện tử đã mở ra cuộc cách mạng điện tử đầu tiên, cho phép ra đời của đài phát thanh, truyền hình, radar và cuối cùng là máy tính điện tử đầu tiên hoàn toàn.
Mặc dù van điện tử có thiết kế hoàn toàn khác biệt, van kiểu triode tương đương với transistor. Van điện tử có ba đầu nối gồm anot, cực ứng (GRID), và cực phát nhiệt (cathode). Một điện áp được áp dụng vào cực ứng sẽ điều khiển số lượng điện tử từ cực phát nhiệt đến anot và hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc công tắc, tùy thuộc vào lượng điện áp được áp dụng.
Với các vấn đề của van điện tử như mẫu mã lớn, dễ bị hư hỏng, tiêu thụ năng lượng cao và khả năng gây rò điện ở nhiệt độ và áp suất cao, transistor được phát triển nhằm loại bỏ một số vấn đề này và tạo ra một phiên bản chuyển đổi trạng thái rắn của van triode.
3. Đặc điểm và cách hoạt động của transistor
Transistor là một linh kiện điện tử cơ bản, được sử dụng chủ yếu theo một trong Hai cách: làm bộ khuếch đại và công tắc điện tử. Mặc dù có vẻ như hai chức năng khác nhau cho cùng một thiết bị, nhưng thực tế chúng đều có cùng một cơ sở và chỉ phụ thuộc vào cách sử dụng trong mạch điện.
Hiện có nhiều loại transistor khác nhau, nhưng tất cả đều có ba đầu nối gọi là emittor, base, collector (cho transistor chuyển động hai chiều) và drain, gate, source (cho transistor trường). Đối với transistor chuyển động hai chiều, lượng dòng được cấp vào base sẽ điều khiển lượng dòng chảy giữa collector và emittor. Trong khi đó, lượng điện áp được áp dụng vào gate sẽ điều khiển lượng dòng chảy giữa source và drain ở transistor trường.
Nói chung, việc áp dụng một lượng dòng hoặc điện áp được kiểm soát theo từng loại transistor sẽ giúp nó hoạt động như một bộ khuếch đại. Tuy nhiên, khi áp dụng lượng dòng hoặc điện áp lớn, nó sẽ bão hòa và hoạt động như một công tắc điện tử, có thể bật và tắt hoàn toàn. Trong các máy tính hiện đại, việc bật và tắt này đại diện cho các số logic 1 và 0 trong mã nhị phân, là yếu tố cơ bản của tất cả các chương trình máy tính. Trên vi xử lý CPU hiện đại, chúng có thể bật tắt hàng tỷ lần mỗi giây.
4. Ứng dụng của transistor trong các thiết bị điện tử hiện đại
Transistor đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ điện tử hiện đại và cách chúng ta tương tác với chúng. Từ máy tính cá nhân, điện thoại thông minh, máy tính bảng, đèn LED, ổ cứng, đèn chiếu sáng, thiết bị y tế, đến xe hơi tự động và nhiều ứng dụng khác, transistor đã trở thành linh kiện quan trọng nhất trong việc điều khiển và xử lý tín hiệu điện.
Trong máy tính, transistor đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý thông tin và tính toán. Công suất và tốc độ của máy tính ngày nay phụ thuộc vào số lượng transistor tích hợp trên chip. Các linh kiện như vi xử lý và bộ nhớ sử dụng hàng tỷ, thậm chí hàng tỷ tỷ transistor. Các transistor này kết hợp lại thành các mạch điện tử phức tạp để thực hiện các công việc xử lý thông tin.
5. Công nghệ sản xuất transistor và sự tiến bộ của vi mạch tích hợp
Cách sản xuất transistor được gọi là quá trình photolithography (quang phơi), là quá trình chuyển các hình học từ một khuôn mặt xuyên qua bề mặt của wafer silicon, được xử lý bằng các chất như photoresist và etsan. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để xây dựng transistor và các kết nối của chúng trên wafer cho đến khi có một wafer hoàn chỉnh được chứa hàng tỷ transistor.
Kích thước của transistor đã giảm đáng kể, cho phép tiết kiệm năng lượng, tăng công suất xử lý và tăng hiệu suất sử dụng wafer. Tuy nhiên, càng giảm kích thước, quá trình sản xuất càng phức tạp hơn. Nguồn sáng cần thiết để làm việc ở quy mô nano, vì vậy máy in photolithography phải sử dụng ánh sáng cực tím cực kỳ tinh vi. Máy in có chi phí đắt đỏ và chỉ có vài công ty trên thế giới sở hữu công nghệ này.
Để đạt được kết quả cao nhất và giảm chi phí, các công ty sản xuất chip như Intel, TSMC và Samsung đã đẩy sự tiến bộ với công nghệ lithography dựa trên ánh sáng cực tím cực ngắn và việc chế tạo chip ở nhiều chiều. Hiện nay, mục tiêu là tăng số lượng transistor trên cùng một wafer mà không cần làm nhỏ kích thước của chúng. Các công nghệ mới sử dụng phối tử nguyên và átôm đơn để làm công tắc transistor có thể giúp tiếp tục tuân thủ luật Moore một thời gian dài hơn.
6. Mosfet - transistor dựa trên MOS
Trong transistor, loại Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) được Nghị viện Kỹ thuật Điện và Điện tử xem xét là thành công lớn nhất trong số mọi loại transistor hiện có. Mosfet hoạt động dựa trên hiệu ứng trường điện trong một lớp chất bán dẫn, điều khiển dòng điện qua chất bán dẫn thông qua cổng điều khiển điện trường.
Mosfet có nhiều ưu điểm so với các loại transistor khác, bao gồm khả năng làm việc ở dòng điện thấp hoặc không dùng dòng điện tại cổng, khả năng tăng tỷ lệ tỷ lệ thuận giữa dòng điện đầu ra và cường độ tín hiệu điều khiển, và dễ dàng sản xuất với quy mô lớn. Đặc biệt, Mosfet có khả năng giữ một lượng điện tích lâu dài và phát sinh nhờ điện dung từ cổng cố định, làm cho chúng trở thành một trong những thành phần chính của bộ nhớ hiện đại và các thiết bị điện tử.
7. Mosfet và sự phát triển của công nghệ transistor
Mosfet đã chứng minh vai trò quan trọng và có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của công nghệ transistor và Vi mạch Tích hợp (ICs). Số lượng mosfet được sản xuất đã tăng vọt lên hàng tỷ tỷ transistor. Khả năng làm việc với ít năng lượng và số lượng transistor ngày càng tăng đã cho phép phát triển ra các ứng dụng tiên tiến như máy tính cá nhân, điện thoại di động thông minh, máy tính bảng, đèn LED, hệ thống giải mã video, máy tính cầm tay và nhiều thiết bị khác.
Sự tiến bộ liên tục trong công nghệ sản xuất và thiết kế mosfet đã đảm bảo rằng chúng ta được trải nghiệm những sự cải thiện đáng kể về hiệu năng, kích thước và tiêu thụ năng lượng. Số lượng transistor trên một wafer là cốt lõi của tính cạnh tranh và sự phát triển trong lĩnh vực công nghệ này.
8. Giới hạn của luật Moore và tương lai của transistor
Như đã biết, luật Moore đã dự đoán rằng số lượng transistor trên một chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi khoảng thời gian nhất định. Tuy nhiên, với sự thu nhỏ kích thước hiện tại, chúng ta sẽ đạt đến giới hạn của vật lý trong tương lai không xa. Kích thước dương tử đã đạt tới mức nguyên tử và quang đơn một ngày không xa sẽ không thể nâng cao thêm.
Tuy nhiên, không phải chỉ có một hướng tiếp cận trong tương lai. Các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu các cách mới để tăng số lượng transistor trong một chip bằng cách sử dụng kỹ thuật ba chiều và nguyên tử đơn. Các công nghệ mới này có thể cung cấp một số thời gian cho Moore's Law.
9. Các ứng dụng tiềm năng của transistor trong tương lai
Dù có giới hạn trong việc gia tăng số lượng transistor trên một chip, transistor vẫn có những tiềm năng ứng dụng đáng kể trong tương lai. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu cách sử dụng transistor để tạo ra các thiết bị tích hợp thông tin và năng lượng, các vi mạch máy tính mới có khả năng xử lý thông tin theo cách thức hiện tại không thể.
Trong ngành công nghiệp, transistor có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như năng lượng sạch, thiết bị y tế, môi trường và giao thông công cộng. Sự tiến bộ trong transistor cũng tạo nền tảng cho sự phát triển của các công nghệ như trí tuệ nhân tạo, thực tế ảo và ô tô tự hành.
Tổng kết 💡
Transistor - một phát minh mang tính vĩ đại đã định hình thế giới hiện đại của chúng ta. Từ sự phát triển ban đầu đến vi mạch tích hợp MOSFET, transistor đã mở ra cánh cửa cho công nghệ thông tin và viễn thông tiên tiến. Trong 60 năm qua, transistor đã đi qua những thay đổi đáng kinh ngạc, tạo ra sự tiến bộ vượt bậc và cung cấp sự tiện ích không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Trong tương lai, dù transistor có đạt được giới hạn của nó hay không, chúng vẫn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghệ tiên tiến và mang lại những đột phá đáng kể cho nhân loại.