Đèn ba cực tí hon

1. Đèn ba cực chân không vẫn có thế mạnh

Đèn ba cực chân không đã đóng vai trò linh kiện điện tử chủ đạo nhất trong sự phát triển kỹ thuật điện tử trước những năm 60 của thế kỷ 20. Đèn gồm có catôt là dây vônfơram khi dòng điện chạy qua nóng lên phát ra nhiệt điện tử. Đối diện với catôt là anôt, bản kim loại có điện thế dương so với catôt nhằm thu hút điện tử. Giữa catôt và anôt là lưới, điện thế tác dụng vào lưới điều khiển rất nhạy dòng điện tử từ catôt đến anôt. Tất cả các bộ phận của đèn đều phải ở trong bóng thuỷ tinh hút chân không cao và hàn kín. Người ta gọi tắt đèn ba cực chân không là đèn ba cực hay triôt. Sau khi tranzito tức là đèn ba cực bán dẫn ra đời vào năm 1948, đèn ba cực chân không dần dần bị thay thế và đến nay chỉ được sản xuất và sử dụng trong một số ít trường hợp.

Nhược điểm chính của đèn ba cực là cồng kềnh, tiêu thụ nhiều năng lượng, toả nhiệt nhiều, nóng. Đó là vì để có nguồn điện tử, ở đèn ba cực phải dùng sợi đốt phát ra nhiệt điện tử, trên 90% công suất là để toả nhiệt vô ích. Sợi đốt quá nóng nên lưới điều khiển phải để cách xa, tất cả đều dẫn đến bóng đèn phải to, thể tích cỡ 4-5centimet khối, tần số không cao được vì điện tử phải đi đoạn đường dài.

Tuy nhiên đèn ba cực chân không có ưu điểm mà tranzito tuy là hậu sinh khả uý nhưng không thể vượt được: công suất lớn. Nguyên nhân chủ yếu của ưu điểm này là điện tử chuyển động trong chân không chứ không phải chạy trong chất rắn như ở tranzito. Vì vậy nhiều vấn đề cần đến công suất như phát sóng để truyền đi, khuếch đại công suất lớn v.v... còn cần dùng đến đèn ba cực chân không (kể cả đèn bốn cực, năm cực, magnetron).

Nhiều người nghĩ rằng đèn ba cực chân không sẽ mãi mãi đóng vai trò của người cựu chiến binh với lẻ tẻ một ít vai trò về công suất trong công nghệ điện tử hiện đại.

Nhưng gần đây nhóm nghiên cứu do Wei Zhu lãnh đạo thuộc Agere Systems ở Murray Hill, New Jersey (Mỹ) đã chế tạo triôt cực nhỏ, cỡ 100 µ theo một công nghệ kết hợp hai thành tựu mới nhất hiện nay là ống nano cacbon và MEMS (hệ vi cơ điện), có khả năng làm cho đèn ba cực chân không trở lại đời sống huy hoàng.

2. Tạo ra catôt lạnh bằng ống nanôcacbon

Điểm cơ bản của triôt hiện đại này là phát ra điện tử bằng ống nano cacbon nhờ hiệu ứng trường, tức là phát xạ lạnh điện tử.

Từ năm 1928 Ralph Fowler và Lothar Nordheim đã giải thích được khi tác dụng một điện trường mạnh lên bề mặt vật dẫn, điện tử có thể xuyên hầm qua hàng rào thế ở bề mặt để thoát ra ngoài và có thể dùng hiệu ứng này để làm nguồn phát ra điện tử. Ông gọi đây là nguồn lạnh vì ở nguồn thông thường phải đốt nóng đến trên 800 độ C điện tử mới thắng được công thoát để ra ngoài vật dẫn, còn ở đây không có đốt nóng. Tuy nhiên để phát ra được điện tử theo hiệu ứng trường, điện trường tác dụng phải khá lớn, cỡ một gigavon trên mét (1GV/m – 10 ¹²V/m). Muốn có điện trường cao như vậy phải làm mũi thật nhọn và để có được nhiều điện tử thoát ra phải làm nhiều mũi nhọn. Từ năm 1970 hãng SRI International đã dùng kỹ thuật quang khắc để tạo ra dãy nhiều mũi nhọn gần nhau để phát xạ điện tử lạnh nhưng không thành công vì làm đến hàng triệu mũi nhọn thì chỉ có 1/1000 cao lắm là 1/100 mũi là đủ nhọn để phát ra được điện tử. Mặt khác làm theo kỹ thuật này giá thành quá cao.

Tám năm trước đây Valt de Heer đã dùng ống nanocacbon làm mũi nhọn, tác dụng điện trường cỡ 10 vôn/micromet, điện tử đã phát ra tốt. Sau đấy ông ta đã hợp tác với nhiều cơ sở thí nghiệm làm được nguồn phát điện tử cường độ lớn bằng cách ghép nhiều ống nano cacbon đứng sát nhau. Cách làm rất đơn giản: cho các ông nano cacbon vào chất lỏng và cho chúng lọt qua cái rây bằng gốm để đến bám vào đế. Các ông nano cacbon sắp thẳng đứng trên đế theo trật tự ở các lỗ rây.

Nhóm công nghệ Agere Systems làm catôt bằng ông nanocacbon theo kỹ thuật hiện đại, nhanh chóng hơn nhiều. Trên phiến silic những diện tích dự định sẽ làm catôt, người ta phủ một màng mỏng sắt, màng này có tính chất tạo mầm cho ống nanocacbon mọc lên. Tiếp đó người ta dùng vi sóng chiều vào một hợp chất hoá học đặc biệt (gồm amoniac, acetylen...) làm cho hợp chất hoá học này bay hơi lên phiến silic. Khi có thêm tác dụng điện trường, hơi này gặp màng sắt ở đâu, ở đó ống nanocacbon mọc lên như các chồi măng, chúng mọc nhanh, đều và gần khít nhau. Khi nào ống nanocacbon đủ độ cao cần thiết người ta ngắt điện trường, kết thúc quá trình mọc ống nanocacbon.

Vì chỗ nào có tạo ra màng mỏng sắt, chỗ ấy mới có ống nanocacbon mọc lên, do đó dễ dàng chủ động tạo ra catôt ở những vị trí mong muốn trên phiến silic.

Các bước tiếp theo để tạo ra triôt được làm theo công nghệ MEMS.

3. Tạo ra triôt “dựng đứng” theo công nghệ MEMS

MEMS là tên gọi của các linh kiện cực kỳ nhỏ, điện cơ kết hợp (Micro Electro Mechanical Systems). Công nghệ làm MEMS thường thực hiện trên nhiều lớp vật liệu khác nhau hình thành trên cơ sở silic: silic, oxyt silic, đa tinh thể silic, nitrit silic... Các vật liệu này có loại dẫn điện, có loại cách điện, có loại rất cứng, đàn hồi... đáp ứng cho nhiều yêu cầu cơ điện khác nhau. Điều cơ bản là các lớp này có thể dễ dàng hình thành trên phiến silic, có thể tạo ra hình này hình nọ (để từ đó ghép lại thành linh kiện) rất tinh vi nhờ dùng kỹ thuật khắc hình như ở công nghệ vi điện tử. Tuy nhiên ở công nghệ MEMS phải làm thêm các bộ phận của linh kiện không nằm trong mặt phẳng.

Trong trường hợp chế tạo triôt theo công nghệ MEMS, người ta phải làm sao cho có catôt, có lưới, có anôt sắp xếp trong không gian như ở triôt. Việc tạo ra catôt là các ống nanocacbon trên bề mặt silic như ta đã thấy ở trên, còn việc tạo ra lưới, anôt trên bề mặt silic về nguyên tắc không khó, vì hình dạng đơn giản. Khó nhất là làm sao ban đầu làm ra chúng trên mặt phẳng sau đó làm cho chúng sắp xếp trong không gian như ở đèn ba cực chân không.

Kris Pister Đại học California Berkeley (Mỹ) đã sáng tạo ra cách “dựng đứng” nói tóm tắt như sau: Trước hết các bộ phận của tritôt đều làm trên mặt phẳng, mỗi bộ phận được bố trí ở một diện tích thích hợp. Khi thiết kế phải chú ý dành ra những chỗ khi khoét chung quanh đi sẽ còn lưu lại, có tác dụng như cái bản lề, có những chỗ khoét đi làm mất hẳn. Sau khi các bộ phận của triôt đã được chế tạo hoàn thành trên bề mặt, người ta cho tẩm thực ăn mòn phần đế silic ở phía dưới. Được giải phóng khỏi lực do đế bám giữ các bộ phận của triôt tách ra, quay quanh bản lề dựng đứng lên vuông góc với bề mặt tạo thành cấu trúc không gian ba chiều.

Hiện nay đang ở giai đoạn thử nghiệm ban đầu, quá trình này chưa tự động hoàn toàn được mà còn phải hỗ trợ bằng những thao tác thủ công tỉ mỉ dưới kính hiển vi.

Triôt hiện đại do nhóm ở Agere Systems thiết kế chế tạo mới là triôt chế tạo thử, hệ số khuyếch đại, tần số làm việc còn rất khiêm tốn. Điều quan trọng là hứa hẹn bắt đầu một giai đoạn mà các linh kiện điện tử công suất lại có khả năng làm rất nhỏ, trên cùng một phiến silic của mạch tích hợp.

Nhóm Agere Systems tính toán cho biết rằng sẽ có khả năng làm triôt theo cách này với tần số 200 MHz và làm pentôt tần số 12 GHz dùng trong vô tuyến viễn thông.

Đằng sau triôt là khả năng điều khiển được điện tử phóng đi trong một thể tích rất nhỏ. David Gerner ở Đại học Luân Đôn cho rằng có thể làm một nguồn ánh sáng tử ngoại rất nhỏ bằng cách phóng chùm điện tử qua chất khí có mật độ thấp như khí nitơ. Các điện tử sẽ làm ion hoá các nguyên tử khí và khi các nguyên tử nhảy về trạng thái nền chúng sẽ phát ra tử ngoại tương tự như ở bóng đèn huỳnh quang. Dan Nicolaescu ở Viện nghiên cứu công nghệ tinh vi ở Rumani đề xuất cách dùng điện tử phát ra từ catôt lạnh này để đo từ trường. Do bị tác dụng lực Lorentz, các điện tử từ catôt lạnh phát ra sẽ đến đập vào một anôt nhất định nào đó trong dãy anôt đã bố trí, từ đây đo được từ trường gây nên lực Lorentz.

______________

Tài liệu tham khảo:

Charles Day, Researchers Combine Carbon nanotubes with MEMS Technology to Make a Tini Triode. Physics Today, 7-2002.