How transistors work - Gokul J. Krishnan

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

Translator: Linndy V Reviewer: Anh Pham

Modern computers are revolutionizing our lives,

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

performing tasks unimaginable only decades ago.

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

This was made possible by a long series of innovations,

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

but there's one foundational invention that almost everything else relies upon:

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

the transistor.

linh kiện bán dẫn.

So what is that,

Vậy nó là thứ gì,

and how does such a device enable all the amazing things computers can do?

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

Well, at their core, all computers are just what the name implies,

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

machines that perform mathematical operations.

là những chiếc máy thực hiện các phép toán.

The earliest computers were manual counting devices,

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

like the abacus,

như chiếc bàn tính,

while later ones used mechanical parts.

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

What made them computers was having a way to represent numbers

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

and a system for manipulating them.

và có một hệ thống để điều khiển chúng.

Electronic computers work the same way,

Máy tính điện tử cũng hoạt động theo cách đó,

but instead of physical arrangements,

nhưng thay vì những lắp rắp cơ học,

the numbers are represented by electric voltages.

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

Most such computers use a type of math called Boolean logic

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

that has only two possible values,

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

the logical conditions true and false,

điều kiện lô-gíc đúng hoặc sai,

denoted by binary digits one and zero.

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

They are represented by high and low voltages.

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

Equations are implemented via logic gate circuits

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

that produce an output of one or zero

cho ra giá trị thể hiện bởi 1 hoặc 0

based on whether the inputs satisfy a certain logical statement.

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

These circuits perform three fundamental logical operations,

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

conjunction, disjunction, and negation.

phép và, phép hoặc, và phép đảo.

The way conjunction works is an "and gate" provides a high-voltage output

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

only if it receives two high-voltage inputs,

chỉ khi nó nhận vào hai dòng điện áp cao,

and the other gates work by similar principles.

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

Circuits can be combined to perform complex operations,

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

like addition and subtraction.

như là cộng hoặc trừ.

And computer programs consist of instructions

Và phần mềm máy tính chứa các hướng dẫn

for electronically performing these operations.

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

This kind of system needs a reliable and accurate method

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

for controlling electric current.

để điều khiển các dòng điện.

Early electronic computers, like the ENIAC,

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

used a device called the vacuum tube.

sử dụng một thiết bị gọi là ống chân không.

Its early form, the diode,

Hình thái trước đây của nó, điôt,

consisted of two electrodes in an evacuated glass container.

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

Applying a voltage to the cathode makes it heat up and release electrons.

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

If the anode is at a slightly higher positive potential,

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

the electrons are attracted to it,

các electron sẽ bị hút vào đó,

completing the circuit.

và mạch sẽ được khép kín.

This unidirectional current flow could be controlled

Dòng điện một chiều này có thể được điều khiển

by varying the voltage to the cathode,

bằng cách thay đổi điện áp ở cực âm,

which makes it release more or less electrons.

khiến nó giải phóng ít nhiều electron.

The next stage was the triode,

Tiếp theo là ống ba cực (triôt),

which uses a third electrode called the grid.

sử dụng điện cực thứ ba là một cái lưới.

This is a wire screen between the cathode and anode

Đây là một lưới thép giữa cực âm và cực dương

through which electrons could pass.

mà electron có thể được truyền qua đó.

Varying its voltage makes it either repel

Thay đổi điện áp có thể khiến nó hoặc đẩy

or attract the electrons emitted by the cathode,

hoặc hút các electron phát ra từ cực âm,

thus, enabling fast current-switching.

từ đó tạo nên sự chuyển dòng điện nhanh.

The ability to amplify signals also made the triode crucial for radio

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

and long distance communication.

và liên lạc đường dài.

But despite these advancements, vacuum tubes were unreliable and bulky.

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

With 18,000 triodes, ENIAC was nearly the size of a tennis court

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

and weighed 30 tons.

và nặng 30 tấn.

Tubes failed every other day,

Những chiếc ống này thường xuyên hỏng,

and in one hour, it consumed the amount of electricity used by 15 homes in a day.

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

The solution was the transistor.

Giải pháp chính là linh kiện bán dẫn.

Instead of electrodes, it uses a semiconductor,

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

like silicon treated with different elements

như việc xử lý silicon bằng các nguyên tố khác

to create an electron-emitting N-type,

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

and an electron absorbing P-type.

và loại P hấp thụ electron.

These are arranged in three alternating layers

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

with a terminal at each.

với một cực điện ở mỗi lớp.

The emitter, the base, and the collector.

Cực phát, cực nền, và cực thu.

In this typical NPN transistor,

Trong linh kiện bán dẫn NPN đặc trưng này,

due to certain phenomena at the P-N interface,

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

a special region called a P-N junction forms between the emitter and base.

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

It only conducts electricity

Nó chỉ dẫn điện

when a voltage exceeding a certain threshold is applied.

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

Otherwise, it remains switched off.

Còn nếu không, nó vẫn bị ngắt mạch.

In this way, small variations in the input voltage

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

can be used to quickly switch between high and low-output currents.

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

The advantage of the transistor lies in its efficiency and compactness.

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

Because they don't require heating, they're more durable and use less power.

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

ENIAC's functionality can now be surpassed by a single fingernail-sized microchip

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

containing billions of transistors.

nhưng chứa hàng tỉ linh kiện bán dẫn.

At trillions of calculations per second,

Thực hiện được hàng ngàn tỉ phép toán mỗi giây,

today's computers may seem like they're performing miracles,

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

but underneath it all,

nhưng thực sự thì

each individual operation is still as simple as the flick of a switch.

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