Transistor là công tắc, và cổng phải nắm được kênh

Chip cần công tắc điện bật tắt dòng bằng điện áp

Công tắc điện mở thì dòng bằng không, đóng thì dòng chạy, và ở chip một điện áp điều khiển công tắc đó.

Điện áp điều khiển nhỏ thì công tắc mở và dòng bằng không; điện áp điều khiển lớn thì công tắc đóng và dòng chạy. Chip làm việc bằng cách bật và tắt dòng điện như vậy.

Xem lời đọc

Chip làm việc bằng cách bật và tắt dòng điện. Trong mạch này, công tắc nối tiếp với pin và điện trở. Ampe kế đo dòng điện chạy trong mạch. Điện áp điều khiển còn nhỏ thì công tắc mở, và kim chỉ không. Điện áp điều khiển lớn lên thì công tắc đóng, và dòng điện chạy. Vậy chỉ một điện áp đã bật hoặc tắt được dòng điện. Chip cần chính loại công tắc điều khiển bằng điện áp như thế.

Công tắc vẽ ở đây là ký hiệu sơ đồ điện. Cột mức chỉ cho biết điện áp điều khiển nhỏ hay lớn, không có số; kim ampe kế cũng chỉ minh họa không và lớn. Chấm electron chạy ngược chiều dòng điện quy ước, từ cực âm của pin qua mạch về cực dương; vệt chạy chỉ là quy ước, không phải tốc độ thật. Nét mờ là trạng thái lúc điện áp điều khiển còn nhỏ.

Transistor là công tắc điện cực nhỏ, và một chip có hàng chục tỷ cái

Công tắc điện trong chip là transistor; một chip chứa hàng chục tỷ cái, nên mỗi transistor phải cực nhỏ.

Công tắc điện trong chip là transistor; một chip điện thoại đời mới có thể chứa 19 tỷ transistor. Tất cả nằm chung trên một chip, nên mỗi transistor chỉ được chiếm một chỗ cực nhỏ.

Xem lời đọc

Trong chip, công tắc điện điều khiển bằng điện áp gọi là transistor. Một chip điện thoại đời mới có thể chứa mười chín tỷ transistor. Chip tính toán bằng việc bật tắt các công tắc này. Tất cả mười chín tỷ cái đều phải nằm chung trên một con chip. Vậy mỗi transistor chỉ được chiếm một chỗ cực nhỏ trên chip. Cái ta cần là một công tắc vừa cực nhỏ vừa điều khiển được bằng điện áp.

Con số 19 tỷ là của chip Apple A17 Pro trong iPhone 15 Pro (2023) theo công bố của hãng; chip khác có số khác. Hình vẽ 324 chấm (18 × 18) cho dễ nhìn, không phải 19 tỷ, và không theo tỉ lệ thật; chấm vàng là một transistor lấy ra để phóng to. Công tắc trong khung phóng to là ký hiệu sơ đồ điện, cột mức nhỏ cạnh nó là điện áp điều khiển.

MOSFET: điện áp trên cổng tạo kênh nối nguồn với máng

Trong MOSFET, điện áp trên cổng quyết định có kênh nối nguồn với máng hay không, nên bật hoặc tắt được dòng điện.

Trong MOSFET, source (nguồn) và drain (máng) là hai vùng nối với nhau bằng một kênh, còn gate (cổng) điều khiển kênh bằng điện áp. Điện áp cổng lớn hơn threshold voltage (điện áp ngưỡng) thì kênh hiện ra và dòng chạy; nhỏ hơn thì chưa có kênh.

Xem lời đọc

Đây là mặt cắt của một transistor loại mốt phét. Ba bộ phận chính là nguồn, máng và cổng. Giữa nguồn và máng chưa có kênh, nên kim ampe kế chỉ không. Điện áp trên cổng được nâng dần lên. Khi điện áp vượt điện áp ngưỡng, kênh electron hiện ra dưới cổng. Kênh nối liền nguồn với máng, nên dòng điện chạy qua. Vậy cổng bật tắt dòng điện bằng cách tạo hoặc xóa kênh.

VG là điện áp cổng, VD là điện áp máng, cùng đo so với nguồn nối đất. Dưới ngưỡng dòng không bằng không mà rất nhỏ; hình coi là chưa có kênh và kim ampe kế chỉ không. Qua cổng không có dòng chạy vì oxit cách điện. Hình là mặt cắt MOSFET loại n, không theo tỉ lệ thật và đơn giản hóa: cổng phủ hết kênh và chồng nhẹ lên hai vùng n⁺; kênh thật chỉ dày cỡ vài nanô mét, vẽ dày 6 px; oxit cổng cũng vẽ dày hơn thật. Cột mức VG và kim ampe kế không có số, chỉ biểu diễn lớn và nhỏ. Chấm xanh lam là electron: nhiều nhất ở hai vùng n⁺, thành dải mỏng trong kênh khi kênh hiện.

Kênh càng ngắn, cổng càng khó nắm kênh

Thu nhỏ transistor làm kênh ngắn lại; ở kênh ngắn, điện thế của máng lan gần hết kênh, nên cổng tắt vẫn có dòng rò.

Muốn chứa nhiều transistor hơn, ta thu nhỏ chúng và kênh ngắn lại; khi đó điện thế của máng lan gần hết kênh. Cổng khó điều khiển kênh hơn, nên transistor đã tắt vẫn có leakage current (dòng rò), tức dòng điện chạy khi transistor tắt.

Xem lời đọc

Đây là một transistor có kênh dài, với cổng đang tắt. Muốn chứa nhiều transistor hơn, ta thu nhỏ chúng và kênh ngắn lại. Điện thế của máng lan vào kênh, nhưng ở kênh dài nó không tới giữa kênh. Ở kênh ngắn, điện thế đó lan gần hết kênh. Cổng khó điều khiển kênh hơn, và electron vượt qua dù cổng đã tắt. Đó là dòng rò, tức dòng điện chạy khi transistor đã tắt. Vậy kênh càng ngắn, cổng càng khó nắm kênh.

Hình định tính, cùng VG = 0 và cùng VD. Điện thế của máng là điện áp máng so với nguồn. Hai mũi tên điện thế của máng dài như nhau; chỉ chiều dài kênh khác, nên ở kênh ngắn nó phủ gần hết kênh. Chấm electron của dòng rò vẽ minh họa, không có số; dòng rò thật nhỏ hơn dòng bật nhiều bậc độ lớn. Kênh dài vẫn rò, nhưng rất nhỏ; kênh ngắn rò lớn hơn hẳn. Thứ cổng mất kiểm soát là rào năng lượng giữa nguồn và máng: cổng tắt giữ rào này cao, còn điện thế của máng lan vào làm rào thấp đi. Một dạng của hiện tượng là DIBL (drain-induced barrier lowering, hạ rào do máng): rào ở phía nguồn bị hạ nên electron vượt qua rào dù cổng tắt. Cả nhóm hiệu ứng này gọi là short-channel effect (hiệu ứng kênh ngắn). Kênh dài và kênh ngắn vẽ cùng tỉ lệ; độ sâu silicon cắt bớt; cổng và oxit phủ hết kênh và chồng nhẹ lên n⁺.

Cổng ôm kênh càng nhiều mặt thì nắm kênh càng chặt

Từ phẳng đến FinFET rồi GAA, cổng ôm kênh một mặt, rồi ba mặt, rồi bốn mặt; muốn vậy kênh phải đổi hình.

Kiểu phẳng cho cổng chạm kênh ở một mặt, FinFET (transistor vây) ở ba mặt, GAA (cổng bao quanh) ở bốn mặt, nên cổng nắm kênh chặt hơn. Muốn ôm nhiều mặt, kênh phải được dựng thành vây rồi thành tấm, tức hình dạng transistor phải đổi.

Xem lời đọc

Khi kênh ngắn đi, cổng khó nắm kênh, nên ta cho cổng ôm kênh từ nhiều mặt hơn. Ở kiểu phẳng, cổng chỉ chạm kênh ở một mặt phía trên. Phin phét dựng kênh thành một vây đứng, và cổng ôm ba mặt. Gờ a a xếp kênh thành tấm mỏng, và cổng bao cả bốn mặt. Cổng ôm càng nhiều mặt thì nắm kênh càng chặt. Nhưng muốn ôm nhiều mặt, ta phải đổi hình dạng của kênh.

Hình cắt vuông góc với chiều dòng điện, tại chỗ có cổng; không theo tỉ lệ thật (vây thật cao và hẹp hơn nhiều, kênh vẽ dày hơn thật). Kiểu phẳng còn gọi là planar. GAA thật xếp nhiều tấm chồng nhau; hình vẽ một tấm cho dễ đếm mặt. Nét vàng là mặt kênh được cổng chạm, qua lớp oxit mỏng. Cổng ôm nhiều mặt thì điều khiển silicon chặt hơn nên dòng rò khi tắt giảm.
Số liệu