Sơ lược về Transistor Chân không

Sự kết hợp thú vị giữa ống chân không và MOSFET có thể thay thế thiết bị bán dẫn truyền thống trong tương lai.

Vào giữa thời kỳ chiến tranh lạnh, tháng 9 năm 1976, Victor Ivanovich Belenko, một phi công Sô Viết bất mãn đã đổi hướng chiếc phi cơ MiG-25 Foxbat của anh ta khỏi chuyến bay huấn luyện ở Siberia, bay thấp và nhanh qua Biển Nhật Bản, và kịp hạ cánh xuống một sân bay dân sự ở Hokkaido chỉ 30 giây trước khi cạn nhiên liệu. Vụ đào ngũ ngoạn mục của anh ta quả là một món hời cho các chuyên gia phân tích quân sự Mỹ, những người lần đầu có cơ hội được tận tay nghiên cứu chiếc máy bay chiến đấu tốc độ cao của Sô Viết này. Họ vẫn từng nghĩ rằng loại máy bay này là một trong số những máy bay thiện chiến nhất thế giới. Nhưng những gì họ khám phá được lại làm họ hoàn toàn bất ngờ.

Trước tiên, khung của máy bay được chế tạo thô sơ hơn so với các loại máy bay chiến đấu cùng thời của Mỹ, do chủ yếu được làm bằng thép thay vì titan. Hơn nữa, họ thấy hệ thống điện tử điều khiển bay chứa toàn thiết bị sử dụng các ống chân không chứ không sử dụng các transistor. Do vậy, nếu gạt bỏ đi được những mối sợ hãi trước kia thì rõ ràng là ngay cả công nghệ hiện đại bậc nhất của Liên Xô cũng lạc hậu một cách đáng buồn cười so với công nghệ của phương Tây.

Xét cho cùng thì ở Mỹ, các ống chân không đã phải nhường chỗ cho các thiết bị thể cứng, ít tốn năng lượng hơn, từ hai thập kỷ trước, chẳng bao lâu sau khi William Shockley, John Bardeen, và Walter Brattain cùng nhau tạo ra chiếc transistor đầu tiên tại Bell Laboratories năm 1947. Tới giữa những năm 1970, ở các nước phương Tây, bạn chỉ có thể tìm thấy các ống chân không được dấu nhẹm đi trong một số loại thiết bị đặc biệt, nếu không tính tới các ống đèn hình vô tuyến vốn vẫn còn đang phổ biến. Ngày nay, thậm chí chúng cũng đã biến mất, và chỉ trừ ở một vài lĩnh vực rất hạn hẹp, ống chân không đã trở thành một công nghệ bị tuyệt diệt. Bởi vậy, sẽ là một bất ngờ khi việc chỉ vài thay đổi nhỏ trong kỹ thuật chế tạo vi mạch lại có thể mở đường cho sự trở lại của các thiết bị điện tử chân không.

Vài năm gần đây tại Trung tâm Nghiên cứu NASA Ames, chúng tôi đã nghiên cứu phát triển các transistor với kênh dẫn chân không. Nghiên cứu của chúng tôi vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, nhưng những mẫu thử chúng tôi chế tạo được cho thấy rằng thiết bị mới này có tiềm năng đáng kinh ngạc. Transistor kênh chân không có thể hoạt động nhanh gấp 10 lần các transistor bằng silicon thông thường và thậm chí chúng có thể làm việc ở mức tần số teraherzt (~1000GHz) nơi bấy lâu nay vẫn nằm ngoài tầm với của bất kỳ thiết bị thể cứng (solid-state device) nào. Ngoài ra chúng còn chịu nhiệt và bức xạ tốt hơn nhiều. Để hiểu được nguyên do của các kết quả trên ta cần một ít kiến thức căn bản về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các ống chân không thời xưa.

Hậu duệ của bóng đèn sợi đốt: Các ống chân không là một biến thể của các bóng đèn sợi đốt thông thường, được phát triển dựa trên nghiên cứu của Thomas Edison về khả năng phát electron của các dây tóc bóng đèn. Chẳng hạn như ống Audion thế hệ đầu, chế tạo năm 1906, trong hình trên trông rất giống một cái bóng đèn cho dù ta không thấy dây tóc đâu do nó đã bị cháy từ lâu. Sợi dây tóc đó, trước đây, đóng vai trò như một cực âm (cathode) mà từ đó các electron bay tới cực dương (anode) là một tấm kim loại nằm ở chính giữa của bóng thủy tinh. Dòng điện từ cực âm tới cực dương có thể được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp trên lưới, là sợi dây dẫn chạy zigzag ở dưới tấm cực dương. Hình: Gregory Maxwell.

Những ống chân không cỡ bằng ngón tay cái đã làm nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu trong vô số những chiếc đài và ti-vi trong nửa đầu thế kỷ 20 này tưởng chừng như không giống chút nào với các transistor trường bán dẫn (metal-oxide semiconductor field-effect transistor – MOSFET) vẫn thường làm chúng ta kinh ngạc về khả năng của chúng trong các thiết bị điện tử số ngày nay. Nhưng trên nhiều phương diện chúng lại khá giống nhau. Ví dụ như chúng đều là những linh kiện có 3 ngõ vào/ra. Điện áp đặt trên một ngõ – tấm lưới của một ống chân không 3 cực và cực cổng của một MOSFET – điều khiển cường độ dòng điện chạy giữa hai cực còn lại: từ cực âm qua cực dương trong ống chân không và từ cực nguồn (source) tới cực xả (drain) trong một MOSFET. Chính khả năng này cho phép những linh kiện này hoạt động như một bộ khuyếch đại hay như một chiếc công tắc nếu được điều khiển mạnh hơn.

Tuy nhiên, cách dòng điện chạy trong một ống chân không thì rất khác so với cách nó chạy trong một transistor. Các ống chân không dựa trên một quá trình có tên là ion hoá dưới tác dụng của nhiệt (thermionic emission): cực âm phát electron ra vùng không gian chung quanh nó khi bị nung nóng. Trong khi đó, dòng điện trong các transistor thì do sự chuyển dịch và sự khuyếch tán của electron (hay của các “lỗ trống”, những phân tử bị thiếu electron) giữa cực nguồn và cực xả qua lớp vật liệu bán dẫn ở dạng đặc nằm giữa hai cực này.

Vì sao ống chân không lại bị thay thế bởi các linh kiện điện tử thể cứng từ mấy chục năm về trước? Các ưu điểm của điện tử bán dẫn bao gồm giá thành rẻ hơn, kích thước nhỏ hơn nhiều, tuổi thọ vượt trội, bền bỉ, đáng tin cậy, và chất lượng đồng đều. Nếu không tính tới những thế mạnh này mà chỉ xem xét theo khía cạnh truyền tải điện tích thì ống chân không lại tốt hơn các thiết bị bán dẫn. Trong ống chân không electron di chuyển tự do còn trong vật liệu bán dẫn chúng va chạm với các nguyên tử khác trong một quá trình có tên là tán xạ tinh thể (crystal-lattice scattering). Thêm vào đó, ống chân không không bị phóng xạ gây hư hỏng như thiết bị bán dẫn, và nó sinh ra ít nhiễu và méo tín hiệu hơn là các loại vật liệu dạng đặc.

Những nhược điểm của các ống chân không phải là vấn đề lớn khi bạn chỉ cần vài cái để vận hành chiếc đài hay ti-vi của mình. Nhưng chúng trở nên thực sự phiền phức trong các mạch phức tạp hơn. Ví dụ như trong chiếc máy tính ENIAC năm 1946 với 17,468 ống chân không, tiêu thụ hết 150kilowatt điện, nặng hơn 27 tấn, và cần tới một căn phòng chứa rộng 200m2. Ngoài ra nó liên tục gặp sự cố khi cứ một hay hai ngày lại có một ống chân không bị hỏng.

Con chíp trong cái chai: Ống chân không đơn giản nhất có khả năng khuyếch đại là chiếc triode, được gọi tên như vậy vì nó có 3 điện cực: cực âm, cực dương, và cực lưới. Thông thường, triode có cấu trúc hình trụ đối xứng, trong đó cực âm ở trong cùng với cực lưới bao quanh, và cực dương bao quanh cực lưới. Nguyên lý hoạt động của nó cũng tương tự như của transistor trường. Điện áp ở cực lưới điều khiển dòng điện chạy giữa hai điện cực còn lại. (Các ống triode thường có 5 chân do dùng thêm 2 chân để giúp cho việc đốt nóng cực âm). Minh họa: James Provost

Cuộc cách mạng transistor đã đặt dấu chấm hết cho những phiền toái này. Nhưng sự thay đổi thần tốc ở các thiết bị điện tử lại không hẳn là do những ưu điểm của công nghệ bán dẫn mà là do các kỹ sư đã tìm được cách sản xuất hàng loạt và kết hợp nhiều transistor trong các mạch tích hợp phức tạp bằng cách sử dụng hoá chất để khắc những cấu trúc phù hợp lên một tấm silicon. Với sự tiến triển của công nghệ sản xuất mạch tích hợp, ngày càng nhiều transistor có thể được đặt trong các con chip khiến các thế hệ chíp mới ngày càng phức tạp hơn. Thiết bị điện tử nhờ đó trở nên nhanh hơn mà lại không đắt hơn.

Lợi thế về tốc độ này thực chất là do khi các transistor ngày càng nhỏ lại, các hạt electron di chuyển qua chúng chỉ phải đi qua một quãng đường ngày càng ngắn hơn giữa cực nguồn và cực xả, nhờ đó cho phép mỗi transistor có thể bật hoặc tắt ngày càng nhanh hơn. Trái lại, các ống chân không thì to kềnh càng và phải dùng tới máy móc cơ giới để chế tạo từng chiếc một. Mặc dù dần dần chúng cũng trở nên tốt hơn nhưng chưa có gì cho thấy chúng được cải thiện theo kiểu định luật Moore.

Tuy vậy, sau 4 thập kỷ thu nhỏ kích thước của các transistor, giờ đây lớp oxit phân tách cực cổng của một chiếc MOSFET thông thường chỉ còn dày khoảng vài nanomét, và khoảng cách giữa cực nguồn và cực xả của nó chỉ còn có khoảng vài chục nanomét. Chúng ta thật sự không thể thu nhỏ các transistor theo kiểu này thêm nhiều nữa. Dẫu vậy, công cuộc tìm kiếm những con chíp nhanh hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn vẫn còn tiếp diễn. Công nghệ transistor kế tiếp sẽ là gì? Dây dẫn nano, ống carbon nano, và graphene đang được phát triển mạnh mẽ. Có lẽ một trong những hướng này sẽ là cứu cánh cho ngành công nghiệp điện tử. Hoặc có thể tất cả chúng sẽ cùng thất bại.

Chúng tôi đang nỗ lực phát triển một loại transistor khác để thay thế MOSFET, một hướng mà các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với cả thành công lẫn thất bại bao nhiêu năm qua: transistor kênh chân không. Công nghệ này là kết quả của việc kết hợp công nghệ ống chân không và các kỹ thuật sản xuất linh kiện bán dẫn hiện đại.Thiết bị lai tạo lý thú này sẽ có các ưu điểm của cả ống chân không và transistor, đồng thời sẽ được sản xuất với kích thước nhỏ và có giá thành rẻ tương đương với bất kỹ thiết bị thể đặc nào. Thực ra, việc thu nhỏ chúng chính là cách để loại bỏ những nhược điểm cố hữu của các ống chân không.

Transistor hóa ống chân không: Một transistor kênh chân không trông khá giống một transistor MOSFET (bên trái). Ở MOSFET, điện thế áp lên cực cổng sẽ tạo ra một điện trường trong phần vật liệu bán dẫn ở bên dưới. Trường này thu hút các hạt điện tích vào kênh dẫn nối giữa cực nguồn và cực xả, cho phép dòng điện chảy giữa chúng. Không có dòng điện nào chảy vào cực cổng do nó được cách điện với phần nền (substrate) ở phía dưới bởi một lớp oxit mỏng. Tương tự như vậy, transistor kênh chân không mà các tác giả đang phát triển (bên phải) sử dụng một lớp oxit mỏng để tạo sự cách điện giữa cực cổng với hai cực nguồn và xả. Hai cực nguồn và xả có đầu nhọn để làm tăng điện trường tại hai chóp. Minh họa: James Provost. Hình: Trung tâm nghiên cứu Ames – NASA.

Trong ống chân không, một sợi đốt tương tự như sợi đốt trong bóng đèn, được dùng để đốt nóng cực âm tới mức nó phát ra electron. Đây chính là lý do khiến các ống chân không cần có thời gian làm nóng và tiêu thụ nhiều năng lượng như vậy. Đồng thời nó cũng chính là nguyên nhân khiến chúng hay bị cháy (thường là hậu quả của một vết rò nhỏ trên phần vỏ thủy tinh). Thế nhưng các transistor chân không thì lại không cần tới sợi đốt hay cực âm nóng. Nếu linh kiện được chế tạo đủ nhỏ, điện trường trên nó đủ mạnh để hút các electron từ cực nguồn qua quá trình có tên là field emission (sự phát xạ electron dưới tác dụng của điện trường). Việc loại bỏ thành phần đốt nóng tốn năng lượng giúp giảm diện tích của các linh kiện trên chip và khiến cho loại linh kiện mới này rất tiết kiệm năng lượng.

Một điểm bất lợi khác của các ống chân không là chúng luôn phải được duy trì ở mức chân không cao, thông thường là vào khoảng 1/1000 áp suất khí quyển, nhằm tránh sự va chạm giữa các electron và các phân tử khí. Dưới mức áp suất thấp như vậy, điện trường làm tăng tốc các ion dương được tạo ra từ các phân tử khí còn dư trong linh kiện. Các ion dương được gia tốc này sẽ và bắn phá cực âm, tạo ra các vết lồi lõm sâu có kích thước cỡ nano mét. Chúng làm thoái hóa dần rồi cuối cùng làm hỏng cực âm.

Những vấn đề cố hữu này của các thiết bị điện tử chân không không phải là không thể khắc phục. Điều gì sẽ xảy ra nếu khoảng cách giữa hai cực âm và dương nhỏ hơn khoảng cách trung bình mà một electron di chuyển trước khi va phải một phân tử khí, một khoảng cách được gọi là đoạn đường tự do trung bình? Khi đó những va chạm giữa các electron và các phân tử khí sẽ không còn đáng kể nữa. Ví dụ như đoạn đường tự do trung bình của electron trong không khí với áp suất khí quyển là vào khoảng 200 nano-mét. Đây là một khoảng cách khá lớn so với kích cỡ của các transistor ngày nay. Nếu sử dụng khí Heli thay vì không khí thông thường thì đoạn đường này tăng lên mức 1 micro-mét. Như vậy có nghĩa là một electron di chuyển qua một khe có chiều rộng 100 nano-mét ngập trong khí heli sẽ chỉ có xác suất khoảng 10% là va chạm với phân tử khí. Thu nhỏ khe này lại và xác suất va chạm sẽ còn giảm hơn nữa.

Tuy nhiên, dù với xác suất va chạm thấp thì vẫn có nhiều electron sẽ đâm phải các phân tử khí. Nếu lực va chạm mạnh làm văng một electron ra khỏi phân tử khí, thì nó sẽ trở thành một ion có điện tích dương và điện trường của transistor sẽ đưa nó bay về phía cực âm. Dưới sự bắn phá của những ion dương này, các cực âm sẽ dần bị hủy hoại. Vậy nên ta phải hạn chế điều này đến mức tối đa.

May thay, nếu ta chỉ sử dụng điện áp thấp, các electron sẽ không bao giờ đạt được đủ động năng để có thể ion hóa các phân tử heli. Bởi vậy nên nếu các kích thước của transistor nhỏ hơn hẳn đoạn đường tự do trung bình của các electron (đây là chuyện tương đối dễ), và điện áp hoạt động đủ thấp (cũng không phải là chuyện khó), thì linh kiện có thể hoạt động tốt trong áp suất khí quyển. Như vậy có nghĩa là bạn không cần phải duy trì chút chân không nào cho phiên bản thu nhỏ của các linh kiện điện tử “chân không”.

Thế nhưng làm cách nào để bật và tắt chiếc transistor kiểu mới này? Ở ống chân không triode thì bạn điều khiển dòng điện chạy qua nó bằng cách thay đổi điện áp lên cực lưới – một điện cực có dạng như một tấm lưới được đặt giữa hai cực âm và dương. Đặt cực lưới ở gần cực âm giúp cải thiện khả năng điều khiển tĩnh điện của nó. Tuy nhiên khoảng cách gần này thường có xu hướng làm tăng dòng điện chạy vào cực lưới. Về mặt lý thuyết thì không nên có dòng điện chạy vào cực lưới, vì như vậy gây lãng phí năng lượng và thậm chí còn có thể khiến cho ống chân không hoạt động sai. Nhưng thực tế thì vẫn luôn có một dòng điện nhỏ.

Để tránh những rắc rối này, chúng tôi điều khiển dòng điện chạy trong transistor chân không giống như trong các MOSFET thông thường, nghĩa là bằng cách sử dụng cực cổng có một lớp vật liệu cách điện (silicon đi-oxit) giúp phân cách nó khỏi dòng điện trên kênh dẫn. Lớp cách điện này truyền tải điện trường khi cần thiết, đồng thời ngăn không cho dòng điện chạy vào cực cổng.

Như vậy bạn có thể thấy rằng transistor chân không chẳng hề phức tạp một chút nào. Thực tế thì nó hoạt động đơn giản hơn bất kỳ các biến thể transistor nào xuất hiện trước nó. Dù cho nghiên cứu của chúng tôi vẫn còn trong giai đoạn đầu, chúng tôi tin rằng những cải tiến chúng tôi đạt được mới đây với transistor chân không có thể có ảnh hưởng to lớn tới ngành công nghiệp điện tử trong tương lai, đặc biệt là ở những ứng dụng mà tốc độ là tối quan trọng. Nỗ lực chế tạo mẫu thử nghiệm đầu tiên của chúng tôi đã cho ra một linh kiện có thể hoạt động ở tốc độ 460 giga-hertz – gấp khoảng 10 lần tốc độ của transistor silicon hiện nay. Điều này khiến cho transistor chân không trở thành ứng cử viên sáng giá để hoạt động ở dải tần được gọi là khe hở terahertz, một đoạn trong phổ điện từ nằm giữa microwave và hồng ngoại.

Lấp chỗ trống: Transistor chân không hứa hẹn có thể hoạt động tại vùng tần số giữa microwave và hồng ngoại-một dải phổ tần số còn được gọi là khe hở terahertz-do các linh kiện bán dẫn khó có thể hoạt động ở vùng tần số này. Những ứng dụng tiềm năng của các thiết bị terahertz bao gồm liên lạc tốc độ cao có định hướng và phát hiện các vật liệu nguy hiểm.

Những tần số này nằm trong khoảng từ 0.1 tới 10 terahertz, rất phù hợp cho nhiều ứng dụng ví dụ như phát hiện các loại vật liệu nguy hiểm và thông tin liên lạc bảo mật với tốc độ cao. Tuy nhiên, sóng terahertz ít khi được sử dụng do các thiết bị điện tử bán dẫn không thể tạo ra cũng như phát hiện loại sóng này. Nhưng các transistor chân không thì có thể. Do phương thức chế tạo transistor chân không hoàn toàn tương thích với quá trình sản xuất linh kiện CMOS thông thường nên những transistor này còn có thể tìm được chỗ đứng cho mình trong các bộ vi xử lý trong tương lai. Tuy nhiên còn nhiều vấn đề phải giải quyết để biến điều này thành hiện thực.

Mẫu thử nghiệm của chúng tôi hoạt động với điện áp 10V, cao hơn khoảng 10 lần điện áp của các chíp CMOS hiện đại. Tuy nhiên các nhà nghiên cứu ở Đại học Pittsburgh đã tạo ra được các transistor chân không hoạt động với điện áp chỉ 1 hoặc 2V, nhưng tính linh hoạt trong thiết kế của họ bị giảm đi đáng kể. Chúng tôi tin có thể giảm điện áp cần thiết của linh kiện của chúng tôi xuống mức tương tự bằng cách thu nhỏ khoảng cách giữa hai cực âm và dương của nó. Thêm vào đó, độ nhọn của những cực này cũng quyết định mức độ tập trung điện trường của chúng, và đặc tính của vật liệu cấu thành cực âm sẽ chi phối cường độ cần thiết của trường để có thể hút được electron ra khỏi nó. Vậy nên chúng tôi cũng có thể giảm được điện áp cần thiết bằng cách thiết kế các cực có hình dáng nhọn hơn hay sử dụng các vật liệu thích hợp để giảm năng lượng giải phóng electron khỏi cực âm. Quá trình thiết kế này rõ ràng sẽ cần được cân nhắc kỹ càng do những thay đổi nhằm làm giảm điện áp hoạt động cũng có thể làm giảm độ ổn định của các điện cực và theo đó là tuổi thọ của transistor.

Với chúng tôi, bước quan trọng tiếp theo là tích hợp một số lượng lớn các transistor chân không vào một con chip. Để phục vụ việc này, chúng tôi sẽ có thể sử dụng nhiều công cụ hỗ trợ thiết kế bằng máy tính (Computer Aided Design – CAD) và các phần mềm mô phỏng được xây dựng sẵn cho việc thiết kế các chip CMOS. Tuy nhiên, trước đó, chúng tôi sẽ cần phải tinh chỉnh các mô hình (tính toán) của chiếc transistor mới này và xây dựng các quy luật thiết kế phù hợp để tạo ra các dây dẫn bằng kim loại kết nối chúng lại với nhau. Ngoài ra, chúng tôi sẽ phải tìm ra các phương pháp để đóng gói những linh kiện chứa đầy khí heli với áp suất 1-atmosphere này. Nhiều khả năng là các kỹ thuật đang được dùng để đóng gói các loại cảm biến vi cơ điện (microelectromechanical sensor – MEMS), như các gia tốc kế hay các con quay hồi chuyển, có thể được áp dụng với các transistor chân không mà không phải sửa đổi quá nhiều.

Rõ ràng là còn rất nhiều việc phải làm trước khi ta có thể bắt đầu hình dung về các sản phẩm thương mại. Nhưng khi chúng xuất hiện, các thiết bị điện tử dựa trên thế hệ transistor chân không mới này sẽ kiêu hãnh sở hữu những khả năng đáng ngạc nhiên. Hãy tin đi. Nếu không thì đến lúc đó bạn sẽ thấy mình giống như những chuyên gia phân tích quân sự đã khảo sát chiếc MiG-25 của Liên Xô tại Nhật Bản năm 1976: Một thời gian sau đó họ mới nhận ra rằng các thiết bị điện tử hàng không sử dụng ống chân không có thể chịu được các xung điện từ của một vụ nổ hạt nhân tốt hơn bất kỳ một thiết bị điện tử nào mà phương Tây trang bị trên máy bay của mình. Chỉ tới khi đó họ mới hiểu được giá trị của một chút chân không.

Các tác giả

Jin-Woo Han và Meyya Meyyappan làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA ở Moffett Field, California. Han là nhà nghiên cứu còn Meyyappan là nhà nghiên cứu chính về công nghệ khám phá (không gian). Transistor chân không mà họ trình bày trong bài này được phát minh một cách tình cờ từ một thí nghiệm không hề liên quan nhằm oxy hóa một sợi nano mỏng. “Kết quả là nó biến thành hai điện cực riêng biệt,” Han nói. Sau đó Han nhận ra rằng mẫu thí nghiệm bị hỏng có thể được biến thành một kiểu transistor mới.

Nguyên bản tiếng Anh: “Introducing the Vacuum Transistor: A Device Made of Nothing,” Jin-Woo Han & Meyya Meyyappan, Spectrum.IEEE.com, 23 Jun 2014.
Người dịch: Phạm Duy Đông
Biên tập: Tạ Minh Chiến