10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

10 vạn câu hỏi vì sao vật lý

111. Đồng hồ thạch anh tính giờ như thế nào?

Do có những ưu điểm: giá rẻ, chạy chính xác, tiện dùng v.v., đồng hồ thạch anh ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Ai cũng biết rằng, cấu kiện cốt lõi của đồng hồ cơ khí là dây cót và bánh lắc điều khiển các kim chỉ thời gian. Vậy đồng hồ thạch anh dùng phương pháp gì để tính giờ nhỉ?

Trên mặt đồng hồ thạch anh nói chung đều có ghi tiếng Anh chữ QUARTZ, nghĩa là thạch anh. "Quả tim" của đồng hồ thạch anh chính là miếng tinh thể thạch anh nhỏ ở bên trong.

Thạch anh là silic đioxit, là thành phần chủ yếu của sa thạch. Trong sa thạch còn có chứa nhiều tạp chất khác. Phân tử silic đioxit tinh khiết, thông qua sự sắp xếp có quy tắc, cấu thành một tinh thể, đó tức là tinh thể thạch anh. Khi tinh thể thạch anh chịu áp lực xảy ra biến dạng, ở hai bên của nó liền sinh ra điện áp. Đó là hiệu ứng áp điện. Lợi dụng hiệu ứng áp điện mà tinh thể thạch anh có được, có thể chuyển đổi tín hiệu dao động cơ học thành tín hiệu điện xoay chiều. Người ta còn biết rằng, tần số dao động của tinh thể thạch anh phụ thuộc vào hình dạng và kích thước hình học của tinh thể. Nếu cắt tinh thể theo một hướng nhất định, có thể làm cho dao động của nó chỉ có một tần số, tức là tần số dao động riêng của tinh thể. Dùng tần số dao động riêng của tinh thể thạch anh để điều khiển mạch điện tử, sinh ra điện trường xoay chiều có cùng tần số, rồi lại qua bộ phận phân tần phân ra tần số thấp cần thiết, thì có thể thúc đẩy kim đồng hồ chạy, chỉ ra thời gian tương ứng.

Tính chính xác của đồng hồ phụ thuộc chủ yếu vào tần số dao động của linh kiện dao động mà nó sử dụng. Tần số dao động này càng cao, sai số trong một đơn vị thời gian sẽ càng nhỏ, đồng hồ sẽ chạy càng chuẩn xác. Tần số dao động riêng của tinh thể thạch anh được dùng trong đồng hồ thạch anh có thể cao đến 65536 hec, hoặc thậm chí còn cao hơn. Còn tần số dao động của đồng hồ đeo tay cơ khí chỉ có vài hec. Cho nên đồng hồ thạch anh chạy đúng giờ hơn đồng hồ đeo tay cơ khí rất nhiều, sai số mỗi ngày có thể không vượt quá một phần vạn giây! Cũng với nguyên lí như vậy, lợi dụng dao động nguyên tử có tần số dao động càng cao, các nhà khoa học có thể chế tạo ra đồng hồ nguyên tử chạy 100 năm mà sai số dồn lại không đến một giây.

Từ khoá: Tinh thể thạch anh; Đồng hồ; Hiệu ứng áp điện; Tần số dao động;

112. Vì sao đèn tiết kiệm điện lại có thể tiết kiệm được điện?

Đèn ống tiết kiệm điện hơn đèn dây tóc, vì nó phát ra ánh sáng lạnh. Nó không cần phải có rất nhiều điện năng chuyển đổi thành nhiệt năng như kiểu đèn dây tóc, lãng phí một cách vô ích. Cho nên hiệu suất phát sáng của đèn nêon tương đương với bốn lần của đèn dây tóc. Song con người vẫn nghĩ cách nâng cao hiệu suất phát sáng của đèn ống hơn nữa.

Các nhà khoa học về nguồn sáng điện chú ý đến mối quan hệ giữa hiệu suất phát sáng của đèn ống với chất huỳnh quang phết lên mặt trong của ống đèn. Thời kì đầu, đèn ống dùng bột hỗn hợp của silicat kẽm beryli, magie vonframat, cađimi borat, làm chất huỳnh quang, hiệu suất phát quang là 40 lumen/oat (lm/W; lumen là đơn vị thông lượng ánh sáng). Về sau dùng kali halosunfat làm chất huỳnh quang, hiệu suất phát sáng được nâng cao tới 60 lm/W.

Đầu những năm 80 của thế kỉ XX, đèn ống ba màu gốc đất hiếm do hãng Philip của Hà Lan nghiên cứu chế tạo thành, làm cho đèn ống tiến một bước dài về mặt tiết kiệm điện năng. Loại đèn được gọi là nguồn sáng mới thế hệ ba này còn có tên là đèn tiết kiệm năng lượng điện tử.

Nó sở dĩ tiết kiệm được điện năng là nhờ hai "phẫu thuật" lớn mà các nhà khoa học đã thực hiện đối với hệ

thống phát sáng của đèn. "Phẫu thuật" thứ nhất là cải cách bột huỳnh quang, chất mà đèn ống dựa vào để phát sáng. Đèn ống kiểu mới này dùng bột huỳnh quang do các nguyên tố đất hiếm như europi oxit, ytri oxit v.v. phối chế ra. Những chất này lần lượt có thể sinh ra hỗn hợp đất hiếm có ánh áng ba màu gốc: đỏ, xanh, chàm. Nếu trộn chúng theo một tỉ lệ nhất định, rồi xịt lên mặt trong của ống đèn, sau khi có điện kích thích bức xạ có thể phát ra ánh sáng trắng gần với ánh sáng tự nhiên của vạch quang phổ. Hiệu suất phát sáng của nó cao tới trên 85 lm/W, nâng cao lên được 40% nữa so với đèn ống bình thường.

Trong khi tìm đủ mọi cách để cải tiến chất huỳnh quang, cùng lúc ấy, các nhà khoa học phát hiện, tần số nguồn điện của chấn lưu đèn ống cũng có quan hệ chặt chẽ với hiệu suất phát sáng. Nếu nâng cao tần số nguồn điện từ 50 hec (Hz) thông thường đến 10000 Hz, hiệu suất phát sáng có thể cao lên 20%. Đó quả là một nguồn tiết kiệm điện đáng được khai thác! Tuy nhiên, nguồn điện làm việc của cái chấn lưu đèn ống là điện thành phố thông thường, tần số cố định ở 50 hec, còn cái chấn lưu có lõi sắt mà đèn ống thông thường sử dụng chỉ có thể giữ vai trò tăng cao điện áp trong mạch điện, chứ không thể sửa đổi tần số trong mạch điện. Cho nên, các nhà khoa học phải tìm cách thực hiện hạng mục "phẫu thuật" thứ hai cho đèn ống, làm một cuộc "cách mạng" triệt để đối với kết cấu của cái chấn lưu.

Trải qua nghiên cứu và thí nghiệm, cuối cùng họ đã thiết kế thành công một loại chấn lưu biến tần điện tử hoàn toàn đổi mới. Nó là mạch điện dao động cao tần do linh kiện điện tử cấu thành, chuyển đổi điện xoay chiều 50 Hz thành điện cao áp 30 - 50 kHz. Phương thức chuyển đổi loại này gọi là kĩ thuật biến áp biến tần điện tử.

Chấn lưu biến tần điện tử theo thiết kế mới chẳng những nâng cao hiệu suất phát sáng của bột huỳnh quang ba màu gốc lên một bước, mà còn giảm nhẹ trọng lượng của cả cái đèn đi 80% vì đã gạt bỏ cái chấn lưu lõi sắt tự tiêu hao điện, thành thử điện năng cũng được tiết kiệm. Theo đo đạc, tính toán, cái chấn lưu lõi sắt dùng trong đèn ống thông thường có mức tiêu hao điện là 4 oat, còn chấn lưu biến tần điện tử chỉ tiêu hao khoảng 0,6 oat. Chỉ riêng điểm này thôi thì cũng đã tiết kiệm được điện năng 3,4 oat so với trước rồi.

Chính là nhờ áp dụng hai biện pháp: dùng bột huỳnh quang có hiệu suất phát sáng cao và chấn lưu biến tần điện tử, mới làm cho hiệu suất sử dụng điện năng của đèn tiết kiệm năng lượng được nâng cao rất nhiều. Mức tiêu thụ điện của một bóng đèn điện tử ba màu gốc 11 oat chỉ bằng 17% của đèn dây tóc 60 oat có cùng một độ chói, và chỉ bằng 65% của đèn ống bình thường 15 oat có cùng một độ chói. Đèn tiết kiệm năng lượng điện tử ba màu gốc, ngoài tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao, màu ánh sáng đẹp ra, tuổi thọ sử dụng của ống đèn dài tới 5000 giờ. Tuy nhiên, ngoài loại đèn này ra, còn có nhiều loại đèn tiết kiệm năng lượng áp dụng chấn lưu biến tần điện tử khác nữa. Ví dụ đèn natri cao áp chấn lưu biến tần điện tử, đèn halogen điện áp thấp, đèn ống cao áp v.v. Ở những nơi cần có nguồn sáng mạnh trên diện tích rộng, đèn tiết kiệm năng lượng có thể đạt được mục đích tiết kiệm nhiều điện năng. Nếu chiếc đèn tiết kiệm năng lượng nho nhỏ có thể đi vào mọi nhà, mọi hộ thì nó sẽ phát huy tác dụng tiết kiệm điện càng lớn.

Từ khoá: Đèn ống; Đèn tiết kiệm năng lượng; Hiệu suất phát sáng; Kĩ thuật biến áp biến tần điện tử; Cái chấn lưu biến tần điện tử.

113. Sóng ánh sáng và sóng điện sóng nào nhanh hơn?

Nếu người ta hỏi bạn: "sóng ánh sáng và sóng điện, sóng nào truyền nhanh hơn? Chắc chắn bạn sẽ nghĩ, tất nhiên là sóng ánh sáng chạy nhanh hơn! Mọi người đều biết, sóng ánh sáng là thứ chạy nhanh nhất trên thế giới. Tốc độ lan truyền của nó là 300.000 km/s. Trong một giây, nó có thể chuyển động quanh Trái Đất đến 7,5 vòng kia đấy!

Chúng ta hãy xem xét sóng điện trước đã. Sóng điện tức là sóng điện từ. Chính là thông qua việc phát xạ sóng điện từ mà đài phát thanh và đài truyền hình đưa các tiết mục đặc sắc đến hàng ngàn, hàng vạn gia đình. Chúng ta vừa bật rađiô hoặc tivi lên là lập tức có thể thu nghe hoặc thu nhìn được các tiết mục tại chỗ cách xa tới vài chục nghìn kilômét. Điện thoại di động cũng có thể lợi dụng sóng điện từ để truyền thông tin. Thông qua điện thoại di động, bạn chuyện trò cùng người thân hoặc bạn bè cứ như là ở bên cạnh mình vậy. Xem ra, tốc độ của sóng điện từ chắc cũng rất nhanh nhỉ? Đúng thế! Các nhà khoa học đo được tốc độ truyền của sóng điện từ cũng là 300.000 km/s, không hề chậm hơn sóng ánh sáng tí nào!

Tốc độ của sóng ánh sáng và sóng điện từ bằng nhau, đó thuần tuý chỉ là một loại trùng hợp ngẫu nhiên chăng? Cố nhiên là không! Năm 1865, nhà vật lí người Anh, Maxwell, đã dùng nhóm phương trình của ông, tính ra tốc độ của sóng điện từ bằng với tốc độ của ánh sáng, và dựa vào đó mà mạnh dạn dự đoán: ánh sáng đúng là một loại sóng điện từ. Làm sao có thể nhập ánh sáng vào sóng điện từ được? Chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng, song lại chẳng hề nghe nói có thể trông thấy sóng điện từ của đài phát thanh, đài truyền hình phát ra. Kì thực thì đó là bởi lí do tần số của chúng khác nhau đấy thôi. Sóng điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy chỉ là một dải rất hẹp, chỉ có sóng điện từ tần số từ 410 triệu - 770 triệu megahec mới có thể kích thích thị giác của người. Đó tức là ánh sáng nhìn thấy. Sóng điện từ có tần số cao hơn ánh sáng nhìn thấy lần lượt là tia tử ngoại, tia X, tia γ. Còn sóng điện từ có tần số thấp hơn ánh sáng nhìn thấy là tia hồng ngoại, vi sóng, sóng vô tuyến điện v.v. Những sóng điện từ này không sao kích thích được thị giác của người, mắt chúng ta không nhìn thấy được.

Sóng điện từ do đài phát thanh, đài truyền hình phát ra là sóng vô tuyến điện có tần số từ vài trăm kilohec đến vài chục nghìn megahec. Ví dụ như Đài phát thanh Nhân dân của thành phố Thượng Hải sử dụng sóng điện từ có tần số 990 kilohec, còn điều tần FM ở đó sử dụng sóng điện từ có tần số là 103,7 megahec. Tần số của chúng cách biệt rất xa với tần số của ánh sáng nhìn thấy, cho nên mắt người hoàn toàn không nhìn thấy được.

Ánh sáng và sóng điện phát ra từ đài phát thanh và đài truyền hình đều là sóng điện từ cả, chỉ có dải tần số của hai loại đó khác nhau, mà tốc độ truyền của sóng điện từ không liên quan gì với tần số, vì vậy tốc độ của sóng ánh sáng và sóng điện bằng nhau là điều tất nhiên rồi.

Từ khoá: Sóng ánh sáng; Tốc độ ánh sáng;Sóng điện; Sóng điện từ.

114. Tốc độ truyền của điện là gì?

Bật công tắc lên, bóng điện sáng ngay lập tức, như kiểu điện từ công tắc chạy đến bóng đèn chẳng mất thời gian chút nào. Điện chạy mới nhanh làm sao !

Quả thực như vậy. Trong chớp mắt bạn bật công tắc, trong toàn mạch điện nhanh chóng lập nên điện trường. Có rất nhiều electron tự do tồn tại trong mạch điện. Chúng chịu tác động của điện trường, chuyển động nhằm về một hướng, hình thành dòng điện. Khi dòng điện đi qua bóng đèn, đèn liền sáng lên ngay. Vì vậy, tốc độ truyền của điện, trên thực tế là chỉ tốc độ lập nên điện trường trong mạch điện. Nó bằng với tốc độ sóng điện từ, tức là 300.000 km/s.

Ở đây, chúng ta không nên có sự lẫn lộn giữa tốc độ truyền của điện với tốc độ chuyển động của electron trong vật dẫn. Cần phải biết rằng tốc độ của electron chuyển động về một hướng nhất định trong vật dẫn còn chưa đến 1 mm/s, còn chậm hơn kiến cơ đấy! Điều đó giống như trường hợp rất đông người xếp thành một đội ngũ hàng dọc dài dài, có người ở đằng trước hô "đi đều bước", tiếng khẩu lệnh từ phía trước truyền đến sau đuôi chỉ cần có một chút xíu thời gian, còn như đợi cho cả đội ngũ đi qua thì lại cần có thời gian rất dài. Vì tốc độ lan truyền của tiếng hô khẩu lệnh và tốc độ đi bộ của người là hai sự việc, hai cái đó khác biệt nhau vô cùng, vô cùng lớn. Tình hình tương tự là, trong vật dẫn đâu đâu cũng có electron tự do, những electron này giống như đám người xếp thành một hàng dọc dài. Tốc độ chuyển động định hướng của electron tựa như tốc độ đi bộ của người. Còn tốc độ lập nên điện trường trong toàn bộ vật dẫn tựa như tốc độ lan truyền của khẩu lệnh. Vì vậy, vừa bật công tắc lên, electron trong vật dẫn chịu sự chỉ huy của điện trường hầu như đồng loạt vùng lên chuyển động, cũng tức là sinh ra dòng điện, làm cho đèn sáng điện, chứ không phải đợi cho electron ở chỗ công tắc chuyển động đến bóng điện rồi thì đèn mới bắt đầu phát sáng.

Chúng ta biết rằng, sóng điện từ đài phát thanh và đài truyền hình phát ra là một loại sóng điện từ, tốc độ lan truyền là 300.000 km/s. Trên thực tế, điện truyền trong vật dẫn là sóng điện lan truyền trong vật dẫn. Tốc độ của cả hai đều bằng nhau, tức là 300.000 km/s. Vậy thì vì sao sóng điện do đài phát thanh, đài truyền hình phát, khi lan truyền trên không, không cần phải nhờ vào bất cứ thứ gì, còn điện thì phải trong một mạch điện kín mới có thể lan truyền, sinh ra dòng điện, làm cho bóng đèn có điện sáng lên nhỉ?

Đó là do nguyên nhân tần số của chúng khác nhau. Kiến thức vật lí cho chúng ta biết, năng lực bức xạ của sóng điện ra ngoài vật dẫn tỉ lệ thuận với luỹ thừa bậc bốn của tần số. Tần số sử dụng của đài phát thanh và đài truyền hình đều từ vài trăm kilohec trở lên, sóng điện rất dễ dàng từ ăng ten phát xạ ra. Còn tần số của điện xoay chiều 220 V thông thường chỉ có 50 Hz, thấp hơn rất nhiều so với tần số sóng vô tuyến điện. Cho nên sóng điện trong đường dây tải điện hoàn toàn không thể chạy ra ngoài, mà chỉ có thể truyền đi trong dây dẫn.

Từ khoá: Sóng điện từ; Ô nhiễm điện từ; Ô nhiễm môi trường.

115. Vì sao nói bức xạ điện từ cũng là một loại ô nhiễm môi trường?

Bật rađiô hoặc tivi, chúng ta liền nghe được hoặc nhìn thấy các tiết mục hay. Đó là vì có sóng điện từ do đài phát thanh và đài truyền hình phát xạ vào không gian xung quanh, đưa tín hiệu của tiết mục đến ngàn nhà vạn hộ gia đình. Điện thoại di động không có dây mà cũng có thể trò chuyện với nhau. Đó cũng là nhờ có sóng điện từ. Ngoài những thứ đó ra, còn có rất nhiều thiết bị như: ra đa, máy hàn cao tần và thiết bị luyện cao tần, thiết bị xử lí nhiệt, thiết bị trị liệu sóng ngắn và siêu ngắn, đun nóng bằng vi sóng và thiết bị phát xạ, đều đang không ngừng bức xạ sóng điện từ vào không gian xung quanh. Tuy bạn tuyệt nhiên không cảm nhận được, song chúng ta quả thực đang sống trong môi trường đầy rẫy sóng điện từ.

Đồng thời với việc mang lại cho con người sự tiện lợi lớn lao, sóng điện từ cũng không tránh được gây nên một số nguy hại. Ví dụ như tạp âm sóng điện từ có thể làm nhiễu thiết bị điện tử, đồng hồ và khí cụ điện, gây nên sai sót thông tin, điều khiển khó khăn. Khi chúng ta xem tivi, gặp phải hiện tượng hình ảnh rung rinh và "đốm trắng", thường là vì bị nhiễu của sóng điện từ gần kề. Nhiễu của sóng điện từ còn có thể gây nên những hậu quả nghiêm trọng hơn. Ví dụ như tạo thành lầm lạc của tín hiệu điều khiển đường sắt, dẫn tới sự cố vận hành của đầu máy; nếu tạo thành lầm lạc của tín hiệu chỉ thị đường bay sẽ dẫn tới sự mất điều khiển của máy bay, tên lửa, vệ tinh nhân tạo v.v.

Bức xạ điện từ còn trực tiếp đe doạ sức khoẻ con người. Vi sóng là một loại sóng điện từ. Lò vi sóng dùng vi sóng chiếu rọi thực phẩm, đun nóng, nấu chín thực phẩm. Qua đó ta thấy, nếu xung quanh chúng ta tồn tại vi sóng, nó chiếu rọi lên thân thể chúng ta, cơ thể đó cũng sẽ bị "đun nóng", "nấu chín" không ngừng. Điều đó nguy hại biết bao đối với sức khoẻ của cơ thể! Các kết quả nghiên cứu đều chứng tỏ, nếu bị bức xạ điện từ trong thời gian dài, con người sẽ xuất hiện các triệu chứng suy nhược thần kinh như bải hoải, giảm trí nhớ v.v., cùng với các triệu chứng tim đập mạnh và loạn nhịp, tức ngực, thị lực giảm sút v.v. Bức xạ điện từ đã cấu thành mối đe doạ lớn lao đối với môi trường sống của loài người, trở thành kẻ phá hoại lớn môi trường chung mà con người hết sức chú ý. Bức xạ điện từ đã trở thành một loại ô nhiễm môi trường thực sự.

Để khống chế ô nhiễm điện từ, Tổ chức Y tế Thế giới và Hiệp hội Bảo vệ bức xạ Quốc tế đã chế định ra "Quy tắc vệ sinh môi trường" và tiêu chuẩn cường độ bức xạ điện từ có liên quan. Bộ Y tế Trung Quốc cũng đã công bố "Tiêu chuẩn vệ sinh môi trường sóng điện từ" vào tháng 12 năm 1987. Đối mặt với ô nhiễm điện từ ngày càng nghiêm trọng, chúng ta có biện pháp bảo vệ nào không? Biện pháp chủ yếu gồm: đưa nguồn ô nhiễm điện từ ra xa khu dân cư đông đúc, cải tiến các thiết bị điện, giảm thấp rò rỉ điện từ, lắp đặt thiết bị che chắn điện từ, hạ thấp cường độ điện từ trường v.v.

Con người lợi dụng sóng điện từ, cũng giống như lợi dụng các tài nguyên khác, chỉ có sau khi đi sâu tìm hiểu được chúng, thì mới có thể vừa bắt chúng phục vụ tối đa cho phúc lợi loài người, lại vừa không để chúng gây nguy hại đối với môi trường sống của nhân loại.

Từ khoá: Sóng điện từ; Ô nhiễm điện từ. Ô nhiễm từ trường

116. Chất bán dẫn là gì?

Khả năng dẫn điện của kim loại như đồng, bạc, nhôm, sắt v.v. rất mạnh, nên gọi là chất dẫn điện. Còn chất dẻo, thuỷ tinh, cao su, gốm sứ v.v. hầu như không dẫn điện, nên gọi là chất cách điện. Còn có một loại vật chất mà khả năng dẫn điện nằm ở giữa chất dẫn điện và chất cách điện, đó tức là chất bán dẫn. Khả năng dẫn điện của chất bán dẫn có thể biến đổi theo sự biến đổi của các nhân tố vật lí: ở nhiệt độ cực thấp, chất bán dẫn tinh khiết không thể dẫn điện, giống như chất cách điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ tương đối cao, hoặc khi có ánh sáng chiếu tới, hoặc sau khi có tạp chất lẫn vào, khả năng dẫn điện của chất bán dẫn liền tăng lên rất nhiều, có thể gần với tính năng dẫn điện của kim loại. Người ta liền lợi dụng tính chất đó của chất bán dẫn để làm ra các loại linh kiện chủ chốt bán dẫn và mạch điện tích hợp (IC), vận dụng vào các nơi trong kĩ thuật điện tử. Silic và gecmani là hai loại nguyên tố bán dẫn được dùng rộng rãi nhất hiện nay.

Vì sao khả năng dẫn điện của chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện khác biệt nhau nhiều đến vậy? Đó là do sự khác nhau trong kết cấu vật chất của chúng. Chúng ta biết rằng, vật chất do nguyên tử hợp thành. Electron trong nguyên tử chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử. Bất luận là chất dẫn điện, chất bán dẫn hay là chất cách điện, bên trong đều có rất nhiều electron. Trong kim loại, lực hút của hạt nhân nguyên tử đối với electron rất yếu ớt, có khá đông electron có thể chuyển động tự do. Cho nên, electron trong kim loại gọi là electron tự do. Một khi có điện trường đặt lên, các electron tự do trong kim loại răm rắp chịu sự chỉ huy của điện trường, đều chuyển động về một hướng. Thế là hình thành nên dòng điện. Nhưng trong chất cách điện, các electron mang điện âm phải chịu sức hút của hạt nhân nguyên tử mang điện dương, không thể tuỳ tiện tách ra, giống như rơi vào một "cái bẫy" vậy. Nếu các electron bị ảnh hưởng của hạt nhân nguyên tử rất mạnh, thì giống như "cái bẫy" rất sâu, chúng không sao "thoát thân" được để trở thành electron tự do, cũng tức là không hình thành nên dòng điện được.

Tình trạng chất bán dẫn nằm ở giữa hai loại hình kể trên. Ở nhiệt độ thấp, electron chịu sự ràng buộc của hạt nhân nguyên tử không thể dẫn điện. Nhưng sự ràng buộc đó yếu hơn một ít so với ảnh hưởng trong chất cách điện. Theo đà lên cao của nhiệt độ, chuyển động của electron mạnh lên. Một bộ phận electron liền có thể giãy thoát khỏi sự ràng buộc, biến thành electron tự do tham gia dẫn điện. Dùng phương pháp rọi sáng cũng có thể cung cấp năng lượng cho electron như vậy. Nhiệt độ càng cao, số electron giãy thoát ràng buộc càng nhiều, khả năng dẫn điện càng mạnh, qua đó mà biến đổi khả năng dẫn điện của chất bán dẫn.

Trộn tạp chất là một biện pháp quan trọng nhất nhằm tăng cường khả năng dẫn điện của chất bán dẫn. Chỉ trộn vào có một phần triệu tạp chất là đã có thể làm cho khả năng dẫn điện của chất bán dẫn được nâng cao gấp hơn một triệu lần. Nguyên tử silic có hoá trị bốn, nếu như trộn vào đó một chút tạp chất photpho (P) hoặc asen (As) v.v. đều có hoá trị năm, chúng thay vào vị trí của một nguyên tử silic thì liền thừa ra một electron. Electron ấy liền tham gia dẫn điện. Loại chất bán dẫn trộn tạp chất như vậy gọi là chất bán dẫn kiểu n. Nếu tạp chất trộn vào là bo hoặc inđi chỉ có hoá trị ba, thì sẽ thiếu đi một electron, thừa ra một lỗ trống mang điện dương.

Chính là cái lỗ trống mang điện dương đó sẽ tham gia dẫn điện. Loại chất bán dẫn trộn tạp chất như vậy gọi là chất bán dẫn kiểu p. Chất bán dẫn kiểu n và kiểu p tiếp xúc nhau hình thành một cái lớp chuyển tiếp p-n. Lợi dụng lớp chuyển tiếp p-n có thể làm thành các linh kiện bán dẫn như điện trở, đèn hai cực, đèn ba cực v.v.

Sử dụng các linh kiện bán dẫn đó để tiến đến chế tạo các loại mạch điện. Có thể thấy rằng, vật liệu bán dẫn giữ một vai trò hết sức quan trọng trong kĩ thuật điện tử.

Từ khoá: Chất dẫn điện; Chất cách điện; Chất bán dẫn; Dẫn điện; Lớp chuyển tiếp p-n; Electron tự do.

117. Vì sao các công đoạn sản xuất của một số linh kiện bán dẫn phải làm trong chân không?

Việc sản xuất các linh kiện bán dẫn, ngoài nhu cầu một môi trường siêu sạch ra, có một số trình tự các công đoạn cần phải tiến hành trong chân không.

Trong môi trường khí quyển chúng ta đang sống có chứa một lượng lớn khí nitơ, khí oxi và các loại phân tử chất khí khác nữa. Những phân tử khí này luôn luôn ở trong trạng thái chuyển động. Khi chúng chuyển động đến bề mặt của vật thể, sẽ có một bộ phận bám dính lên bề mặt đó. Trong đời sống thường ngày, điều đó sẽ không sinh ra ảnh hưởng gì mấy. Song đối với trình tự các công đoạn sản xuất linh kiện bán dẫn có đòi hỏi cực cao về môi trường xung quanh thì sự biến đổi nhỏ đó cũng đủ gây ra cho sản xuất lắm chuyện phiền toái.

Mỗi một linh kiện bán dẫn đều bao gồm nhiều lớp vật liệu nhiều loại nhiều dạng. Nếu giữa các lớp vật liệu khác nhau đó có lẫn phân tử khí vào thì tính năng quang hoặc điện của linh kiện sẽ bị phá hoại. Ví dụ mong muốn trên lớp tinh thể sinh trưởng thêm một lớp tinh thể nữa (gọi là ngọai diên), phân tử khí bị bề mặt tinh thể lớp đáy hút dính, sẽ cản trở nguyên tử bên trên tiến hành sắp xếp có trật tự theo cấu trúc mạng tinh thể. Kết quả là đưa vào rất nhiều khiếm khuyết trong lớp ngoại biên, nghiêm trọng hơn, thậm chí không sinh trưởng ra tinh thể, mà chỉ có thể thu được đa tinh thể hoặc phi tinh thể sắp xếp lộn xộn không theo một trật tự nào cả.

Ở điều kiện một atmotphe, trên mỗi một điểm của bề mặt tinh thể, trong một giây đều bị vài trăm triệu cú va đập của phân tử khí. Cho nên, muốn thu được bề mặt tinh thể sạch sẽ, thông thường phải làm cho mật độ phân tử khí xuống tới một phần vài trăm triệu của mật độ khí quyển mới được, tức là cần thiết có một môi trường chân không. Để làm điều đó, người ta chế tạo ra những hòm bịt kín to nhỏ đủ kiểu, và phát minh ra đủ loại bơm chân không, rút không khí trong những hòm bịt kín ấy ra, làm cho bên trong hòm trở thành môi trường chân không. Rất nhiều cấu kiện bán dẫn, như các đĩa laze (CD, VCD và DVD) và máy laze bán dẫn trong truyền thông sợi quang, mạch điện tích hợp vi sóng trong rađa hoặc trong thiết bị truyền thông vệ tinh, thậm chí nhiều mạch điện tử thông thường, đều có trình tự các công đoạn chế tác khá nhiều bộ phận phải tiến hành trong hòm chân không. Mức độ chân không càng cao, tính năng của linh kiện bán dẫn chế tác ra cũng càng tốt. Hiện nay, rất nhiều linh kiện bán dẫn có tính năng cao đều được chế tác ra trong môi trường chân không siêu cao. Muốn có được cái gọi là chân không siêu cao thì mật độ phân tử khí trong đó chỉ có một phần vài trăm tỉ đến một phần vài trăm nghìn tỉ của khí quyển! Môi trường chân không siêu cao đòi hỏi một hệ thống rút không khí vô cùng phức tạp mà giá cả rất đắt.

Ngoài ra, trong quá trình gia công linh kiện bán dẫn, cần phải dùng các hạt như chùm electron, chùm ion và chùm phân tử v.v. để tiến hành chiếu xạ và bắn phá vật liệu. Trong khí quyển, các phân tử khí có thể xảy ra va chạm với những hạt này, rút ngắn rất nhiều qu•ng đường đi của chúng, kết cục là tuyệt đại đa số các hạt không đến được bề mặt vật liệu. Đặt những quá trình gia công này trong môi trường chân không mà tiến hành thì có thể tránh được vấn đề đó.

Từ khoá: Linh kiện bán dẫn; Bề mặt tinh thể; Chân không, Chân không siêu cao.

118. Mạch tích hợp là gì?

Từ khi ra đời vào những năm 60 của thế kỉ XX cho đến nay, mạch tích hợp (IC) đã có sự phát triển rất lớn và được ứng dụng rộng rãi. Trong máy tính, đồng hồ thạch anh, đồng hồ điện tử, máy giặt, máy trò chơi, cái điều khiển tivi từ xa và trong rất nhiều đồ điện gia dụng đều có một mảnh hoặc vài mảnh mạch tích hợp. Trong máy tính thì khỏi phải nói rồi. Tính năng của máy tính sở dĩ được nhanh chóng nâng cao chính là do sự phát triển không ngừng của mạch tích hợp mang lại.

Trước khi mạch tích hợp xuất hiện, các mạch điện đều dùng từng linh kiện như điện trở, tụ điện, đèn hai cực, đèn ba cực v.v. riêng lẻ, hàn chúng vào một tấm mạch in sẵn hoặc dùng dây điện rời hàn các linh kiện với nhau. Rõ ràng là, khi số lượng các linh kiện quá lớn, ví dụ như mạch điện có 100 nghìn tranzito cấu thành, thể tích của nó sẽ vô cùng đồ sộ, mức tiêu thụ điện năng cũng rất lớn. Hơn thế nữa, mạch điện rất dễ xảy ra hỏng hóc. Bất cứ một mối hàn nào rời ra hoặc một linh kiện nào hỏng đi đều có thể ảnh hưởng tới cả một mạch điện. Về sau, người ta lợi dụng biện pháp khoa học kĩ thuật tiên tiến, chế tác các linh kiện cần thiết trong mạch điện thành một miếng bán dẫn nhỏ, mọi khó khăn kể trên đều được giải quyết xong xuôi. Đó tức là mạch điện điện tử tích hợp, gọi tắt là mạch tích hợp. Cố nhiên những linh kiện này phải vô cùng vô cùng nhỏ, còn phải dùng dây dẫn rất rất mảnh nối những linh kiện rất rất nhỏ ấy lại với nhau.

Làm thế nào để tập hợp rất nhiều linh kiện điện tử lên một tấm silic bán dẫn nhỏ được nhỉ? Qua mấy chục năm nghiên cứu và phát triển, hiện nay đã có một quy trình kĩ thuật tương đối hoàn chỉnh, tức là đã có công nghệ gia công mạch tích hợp. Quy trình đó bao gồm các công đoạn oxi hoá, khắc bằng ánh sáng (quang khắc), pha tạp chất, kim loại hoá v.v. Quá trình đó phải lặp đi lặp lại rất nhiều lần. Chế tạo một mảnh mạch tích hợp thông thường cần tới vài chục, thậm chí trên vài trăm trình tự công đoạn.

Để phân loại các mạch tích hợp có mức độ dồn chứa khác nhau, nói chung người ta gọi mạch bao gồm 10 đến 100 tranzito (bóng bán dẫn) là mạch tích hợp cỡ nhỏ (SSI); gọi mạch bao gồm 100 đến 1000 tranzito là mạch tích hợp cỡ vừa (MSI); gọi mạch bao gồm 1000 đến 10000 tranzito là mạch tích hợp cỡ lớn (LSI), mạch bao gồm 1000000 tranzito trở lên là mạch tích hợp siêu lớn (VLSI). Qua đó có thể biết, cái gọi là cỡ tức là chỉ mức độ nhiều ít của con số tranzito chứa đựng trong một mảnh mạch tích hợp. Song, thể tích của mạch tích hợp không hề tăng lên theo tỉ lệ kích thước của "cỡ" của bản thân nó, mà ngược lại có xu hướng ngày càng nhỏ đi. Cố nhiên, điều đó cũng có nghĩa là mật độ dồn chứa của linh kiện ngày càng lớn.

Từ khoá: Mạch điện; Mạch tích hợp; IC cỡ nhỏ; IC cỡ vừa; IC cỡ lớn; IC cỡ siêu lớn.

119. Vì sao sản xuất mạch tích hợp phải cần đến môi trường siêu sạch?

Phạm vi ứng dụng mạch tích hợp đã phổ cập đến mọi ngóc ngách trong đời sống chúng ta: trong rađiô, trong tivi đều có mạch tích hợp, trong máy tính điện tử lại càng không thể thiếu nó được. Bạn có biết mạch tích hợp được chế tạo bằng thứ gì không? Nguyên liệu chủ yếu của nó là silic. Silic là thành phần chủ yếu trong "cát thạch anh" có hàm lượng rất dồi dào trên Trái Đất. Song, muốn dùng cát thạch anh chế tạo mạch tích hợp thực không phải là chuyện dễ làm. Quá trình sản xuất ra nó vô cùng phức tạp, yêu cầu đối với môi trường sản xuất cũng hết sức khắc nghiệt. Trước hết phải lấy ra silic đioxit từ trong cát thạch anh, rồi lại từ trong silic đioxit lấy ra silic, sau đó cần làm sạch và vuốt dài thành đơn tinh thể. Cắt đơn tinh thể thành mảnh silic, rồi qua quá trình mài bóng, làm cho nó như mặt gương ngay ngắn là có thể chế tạo mạch tích hợp.

Bạn xem, bên trong mạch tích hợp, đặc biệt là trong mạch tích hợp cỡ siêu lớn, có phân bố chi chít dày đặc các linh kiện, khoảng trống của chúng không đến một phần nghìn milimet. Giữa các linh kiện với nhau còn có dây nối đan xen ngang dọc. Nếu có một hạt bụi rơi vào trong đó, cho dù nó nhỏ đến mức mắt thường không nhìn thấy, kẹt vào trong mạch điện như một quả đồi, hoặc tạo thành chập mạch, hoặc tạo thành ngắt mạch, cả hai trường hợp này đều có thể làm cho cả mảnh mạch tích hợp hư hỏng. Cho nên trong quá trình sản xuất mạch tích hợp, bụi bặm trong không khí phải được giảm xuống tới mức thấp nhất. Điều đó không phải chỉ quét dọn lau chùi phân xưởng sản xuất sạch sẽ là đã giải quyết được vấn đề, mà còn phải lọc thật kĩ không khí. Sự lưu thông không khí trong phân xưởng cũng được áp dụng phương pháp đặc thù để tránh thổi tung bụi bặm sót lại trên mặt đất hoặc trên bàn làm việc. Nhân viên công tác cũng phải mặc trang phục làm việc đã qua xử lí đặc biệt, đi găng tay, từ đầu tới chân phải trùm kĩ lưỡng, giống như kiểu bác sĩ ngoại khoa đang thực hiện ca phẫu thuật lớn vậy. Các loại thuốc thử hoá học, dung dịch, kim loại v.v. dùng trong quá trình sản xuất cũng yêu cầu tinh khiết ở mức cao nhất (cấp tinh khiết điện tử), để tránh ảnh hưởng của tạp chất.

Cho dù đã áp dụng nhiều biện pháp sạch hoá nghiêm ngặt đến như vậy, nhưng vẫn có những mảnh sản xuất ra không đạt quy cách. Nguyên nhân chủ yếu là do rất nhiều bụi bặm trong phân xưởng được đưa vào bởi con người. Nếu như toàn bộ quá trình sản xuất đều do người máy đảm nhiệm, áp dụng phân xưởng không người, tự động hoá hoàn toàn, thì điều kiện môi trường sẽ dễ khống chế, tỉ lệ sản phẩm hợp quy cách cũng có thể nâng cao thêm một bước. Hiện nay, trên thế giới đã xây dựng được rất nhiều dây chuyền sản xuất mạch tích hợp hoàn toàn tự động hoá.

Từ khoá: Mạch tích hợp; Sạch hoá; Cát thạch anh; Silic đioxit.

120. Kĩ thuật vi điện tử là gì?

Hơn 30 năm gần đây, máy tính điện tử và công nghệ thông tin phát triển vượt bậc, thể tích của thiết bị vi tính ngày càng bé đi, chức năng lại ngày càng mạnh lên, giá cả ngày càng rẻ. Đó chính là một cuộc cách mạng do kĩ thuật vi tính mang lại.

Trong những năm 60 của thế kỉ XX, điện tử học sinh ra một phân nhánh khoa học mới, nghiên cứu làm thế nào lợi dụng đặc tính vi mô của nội bộ chất rắn cùng với một vài công nghệ đặc thù, trên cái lõi của miếng bán dẫn chế tác một lượng lớn các linh kiện, nhờ đó mà trong một diện tích nhỏ tí teo chế tạo ra hệ thống điện tử phức tạp. Đó là điện tử học hệ vi mô, gọi tắt là vi điện tử. Còn kĩ thuật vi điện tử lại là tên gọi chung của các kĩ thuật công nghệ trong vi điện tử học. Nó bao gồm thiết kế hệ thống và mạch điện, tính năng vật lí của cấu kiện, một loạt kĩ thuật chuyên môn như kĩ thuật công nghệ, chế tạo vật liệu, đo tự động cùng với việc lắp ráp v.v.

Theo đà phát triển của kĩ thuật vi điện tử, mạch tích hợp đã trải qua bốn giai đoạn: mạch cỡ nhỏ, mạch cỡ vừa, mạch cỡ lớn và mạch cỡ siêu lớn. Mới đầu, ở cuối những năm 60 của thế kỉ XX, trên một cái lõi, chỉ có thể chứa vài nghìn linh kiện. Còn ngày nay trên cái lõi chỉ có hơn 1 cm2, số lượng các linh kiện điện tử dồn chứa nhiều đến hơn 100 triệu cái. Sự phát triển của công nghệ chế tạo vật liệu làm cho tấm silic có thể càng ngày càng lớn. Hiện nay, đường kính tấm silic sản xuất được xấp xỉ 20 cm. Có nghĩa là trên một tấm silic đồng thời có thể chế tạo càng nhiều mạch tích hợp, nâng cao hiệu suất sản xuất rất nhiều.

Sự nâng cao không ngừng của mật độ dồn chứa có quan hệ mật thiết với sự phát triển của công nghệ bán dẫn. Ví dụ như công nghệ trộn tạp, khi chế tạo mạch tích hợp mới đầu áp dụng phương pháp khuếch tán nhiệt, khó khống chế được độ chuẩn xác. Hiện nay phần nhiều dùng phép nội xạ ion, độ chuẩn xác được nâng cao rất nhiều, mật độ dồn chứa cũng theo đó tiến lên một bậc.

Sự phát triển của kĩ thuật vi điện tử đã làm cho thiết bị và hệ thống điện tử tiến vào một giai đoạn mới: giảm nhỏ kích thước, nâng cao độ tin cậy và hạ giá thành. Ảnh hưởng của sự phát triển đó đang thâm nhập sâu vào từng lĩnh vực khoa học tự nhiên và xã hội, mang lại những sự biến đổi to lớn cho nền kinh tế xã hội, cho phương thức sinh hoạt và quan niệm tư duy của con người. Có thể dự kiến rằng, kĩ thuật vi điện tử vẫn sẽ có bước phát triển dài, mật độ tập trung hi vọng nâng cao thêm một bước, máy tính điện tử cũng sẽ thực hiện trí thông minh nhân tạo cao độ, thay thế con người làm công việc lao động trí óc rất nặng nề và đa dạng.

Từ khoá: Kĩ thuật vi điện tử; Vi điện tử học; Mạch tích hợp.