Linh kiện bán dẫn hoạt động như thế nào - Gokul J. Krishnan

Xem toàn bộ bài học tại: http://ed.ted.com/lessons/how-transistors-work-gokul-j-krishnan

Máy tính hiện đại đang cách mạng hóa cuộc sống của chúng ta, thực hiện những công việc mà chỉ vài thập kỷ trước đây tưởng như không thể. Điều này đã trở nên khả thi nhờ một loạt các cải tiến, nhưng có một phát minh căn bản mà hầu như mọi thứ khác đều dựa vào: linh kiện bán dẫn. Gokul J. Krishnan mô tả về linh kiện bán dẫn và cách mà thiết bị nhỏ bé này khiến cho máy tính thực hiện được những điều tuyệt vời.

Bài học: Gokul J. Krishnan, hoạt họa: Augenblick Studios.

Máy tính hiện đại đang cách mạng hóa
cuộc sống của chúng ta,

thực hiện những công việc
chỉ vài thập kỷ trước tưởng như không thể.

Điều này đã trở nên khả thi
sau hàng loạt những cải tiến,

nhưng có một phát minh căn bản
mà hầu như mọi thứ khác đều dựa vào:

linh kiện bán dẫn.

Vậy nó là thứ gì,

làm sao thiết bị đó có thể khiến máy tính
làm được những điều tuyệt vời như thế?

Về mặt cốt lõi, máy tính,
đúng như ý nghĩa tên gọi của chúng,

là những chiếc máy
thực hiện các phép toán.

Những chiếc máy tính đầu tiên
là những thiết bị tính toán thủ công,

như chiếc bàn tính,

còn máy tính đời sau
sử dụng các bộ phận cơ khí.

Những thiết bị này trở thành máy tính
bởi chúng có thể thể hiện các con số

và có một hệ thống để điều khiển chúng.

Máy tính điện tử
cũng hoạt động theo cách đó,

nhưng thay vì
những lắp rắp cơ học,

các con số được thể hiện
qua điện áp dòng điện.

Phần lớn các máy tính như vậy
sử dụng thuật toán lô-gíc Boolean

mà trong đó chỉ có hai giá trị có thể có,

điều kiện lô-gíc đúng hoặc sai,

được biểu thị bằng các số nhị phân 1 và 0.

Chúng được đại diện bởi
các mức điện áp cao và thấp.

Các phương trình được thực hiện qua
các mạch điện cổng lô-gíc

cho ra giá trị thể hiện bởi 1 hoặc 0

dựa trên việc liệu các dữ liệu nhập vào
có thỏa mãn điều kiện lô-gíc nhất định.

Những mạch điện này thực hiện
ba phép toán lô-gíc cơ bản,

phép và, phép hoặc,
và phép đảo.

Phép và hoạt động theo kiểu "cổng AND"
cung cấp hiệu suất điện áp cao

chỉ khi nó nhận vào hai dòng điện áp cao,

và các cổng còn lại cũng hoạt động
theo nguyên lý tương tự.

Các mạch này có thể được tổ hợp
để tạo ra các phép toán phức tạp,

như là cộng hoặc trừ.

Và phần mềm máy tính
chứa các hướng dẫn

để thực hiện các phép toán này
theo phương thức điện tử.

Kiểu hệ thống này cần một phương pháp
tin cậy và chính xác

để điều khiển các dòng điện.

Những máy tính điện tử đầu tiên,
như là ENIAC,

sử dụng một thiết bị gọi là
ống chân không.

Hình thái trước đây của nó, điôt,

tạo bởi hai điện cực đặt
trong một ống thủy tinh chân không.

Khi có điện áp ở cực âm, nó sẽ
nóng lên và giải phóng electron.

Nếu ở cực dương đang có
điện thế dương cao hơn,

các electron sẽ bị hút vào đó,

và mạch sẽ được khép kín.

Dòng điện một chiều này
có thể được điều khiển

bằng cách thay đổi điện áp ở cực âm,

khiến nó giải phóng ít nhiều electron.

Tiếp theo là ống ba cực (triôt),

sử dụng điện cực thứ ba
là một cái lưới.

Đây là một lưới thép
giữa cực âm và cực dương

mà electron có thể được truyền qua đó.

Thay đổi điện áp có thể khiến nó hoặc đẩy

hoặc hút các electron phát ra từ cực âm,

từ đó tạo nên sự chuyển dòng điện nhanh.

Khả năng khuếch đại tín hiệu khiến triôt
trở thành phần thiết yếu của radio

và liên lạc đường dài.

Mặc dù có những cải tiến, ống chân không
lại thiếu tin cậy và tốn diện tích.

Với 18,000 triôt, ENIAC có kích cỡ
gần bằng một sân quần vợt

và nặng 30 tấn.

Những chiếc ống này thường xuyên hỏng,

trong một giờ, nó đã tiêu thụ lượng điện
15 hộ gia đình sử dụng trong một ngày.

Giải pháp chính là linh kiện bán dẫn.

Thay vì dùng điện cực,
nó sử dụng chất bán dẫn,

như việc xử lý silicon
bằng các nguyên tố khác

để tạo ra chất bán dẫn loại N
phát ra electron,

và loại P hấp thụ electron.

Những loại này được sắp xếp
vào ba lớp xen kẽ nhau

với một cực điện ở mỗi lớp.

Cực phát, cực nền, và cực thu.

Trong linh kiện bán dẫn NPN
đặc trưng này,

do các hiện tượng nhất định
xảy ra tại bề mặt chung P-N,

một vùng đặc biệt gọi là mối nối P-N
được hình thành giữa cực phát và cực nền.

Nó chỉ dẫn điện

khi đưa vào mức điện áp
vượt trên một ngưỡng nhất định.

Còn nếu không,
nó vẫn bị ngắt mạch.

Bằng cách này, những biến thiên nhỏ
trong điện áp truyền vào

có thể được sử dụng để nhanh chóng
chuyển giữa dòng điện ra cao và thấp.

Lợi thế của linh kiện bán dẫn chính là
tính hiệu quả và độ rắn của nó.

Bởi chúng không cần làm nóng,
chúng bền hơn và tốn ít năng lượng hơn.

Chức năng của ENIAC giờ trở nên vượt trội
nhờ vi mạch đơn, cỡ chỉ bằng cái móng tay

nhưng chứa hàng tỉ linh kiện bán dẫn.

Thực hiện được hàng ngàn tỉ phép toán
mỗi giây,

máy tính ngày nay dường như
đang tạo ra những phép màu,

nhưng thực sự thì

mỗi phép toán lại vẫn đơn giản
như gạt một công tắc vậy.