Bóng bán dẫn (transistor) đầu tiên hoạt động được là bóng bán dẫn tiếp điểm điểm làm bằng germani, do John Bardeen và Walter Brattain chế tạo tại Bell Labs (Mỹ) tháng 12/1947, trong nhóm do William Shockley dẫn dắt. Shockley phát triển tiếp lý thuyết bóng bán dẫn tiếp giáp đầu năm 1948. Ba người cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 1956.
Nhưng câu chuyện có nhiều tầng hơn: Julius Lilienfeld đã đăng ký sáng chế về nguyên lý transistor hiệu ứng trường từ năm 1925–1930, hai nhà vật lý Đức ở Paris làm ra thiết bị tương tự gần như cùng lúc với Bell Labs, và loại transistor chiếm gần như toàn bộ chip hiện nay, MOSFET, chỉ ra đời năm 1959. Từ một chiếc transistor thủ công tới hàng tỷ transistor trên một con chip là chặng đường của nhiều phát minh nối tiếp.
Bài này đi theo các mốc lịch sử đó, tập trung vào câu hỏi ai làm gì, khi nào và vì sao công nghệ lan nhanh. Phần giải thích chi tiết chip bán dẫn hoạt động thế nào thuộc về một chủ đề khác.
Bài toán của Bell Labs: thay đèn chân không và rơ-le
Trước bóng bán dẫn, mạch điện tử khuếch đại và chuyển mạch bằng đèn điện tử chân không. Đèn chân không làm việc tốt nhưng nóng, tốn điện, cồng kềnh và có tuổi thọ giới hạn vì sợi đốt bị hao mòn. Máy tính ENIAC hoàn thành năm 1946 dùng khoảng mười tám nghìn đèn chân không; việc thay đèn hỏng là công việc thường xuyên. Mạng điện thoại thì dùng hàng triệu rơ-le cơ khí ở các tổng đài.
Hệ thống Bell, khi đó gần như độc quyền điện thoại ở Mỹ, có động lực rất rõ để tìm thiết bị thay thế. Mervin Kelly, giám đốc nghiên cứu của Bell Labs, lập nhóm nghiên cứu vật lý chất rắn sau Chiến tranh Thế giới thứ hai với mục tiêu rõ ràng là tìm bộ khuếch đại bằng chất bán dẫn. Đây là kiểu nghiên cứu cơ bản có định hướng: tự do về phương pháp nhưng có mục tiêu ứng dụng cụ thể.
Nền tảng khoa học đã có sẵn một phần. Cơ học lượng tử của thập niên 1920–1930 cho phép hiểu lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn. Trong chiến tranh, nghiên cứu radar đã thúc đẩy kỹ thuật làm tinh thể germani và silic tinh khiết cho đầu dò vi sóng. Năm 1940, Russell Ohl ở Bell Labs tình cờ phát hiện tiếp giáp p–n trong một mẫu silic, hiện tượng sẽ trở thành trung tâm của bóng bán dẫn tiếp giáp.
Tháng 12/1947: bóng bán dẫn tiếp điểm điểm
Ý tưởng ban đầu của Shockley là transistor hiệu ứng trường: đặt một điện cực gần bề mặt chất bán dẫn để điều khiển dòng điện chạy qua nó. Các thí nghiệm thất bại, và Bardeen, nhà vật lý lý thuyết, đưa ra lời giải thích: các trạng thái điện tử ở bề mặt chất bán dẫn chắn mất tác dụng của điện trường. Hướng nghiên cứu chuyển sang tìm hiểu trạng thái bề mặt.
Bardeen và Brattain, nhà thực nghiệm, làm việc rất ăn ý. Sau nhiều thử nghiệm, họ ép hai lá vàng rất sát nhau lên bề mặt một khối germani, tạo ra hai tiếp điểm cách nhau chỉ một phần nhỏ của milimet. Ngày 16/12/1947, thiết bị cho thấy khuếch đại tín hiệu. Ngày 23/12/1947, nhóm trình diễn cho ban lãnh đạo phòng thí nghiệm một mạch khuếch đại giọng nói. Thiết bị được công bố công khai ngày 30/6/1948.
Tên gọi “transistor” do John Pierce, một kỹ sư của Bell Labs, đề xuất, ghép từ transfer và resistor (hoặc varistor, theo một số tư liệu). Bóng bán dẫn tiếp điểm điểm khó làm, không ổn định, mỗi chiếc gần như là một sản phẩm thủ công. Nhưng nó chứng minh nguyên lý: một linh kiện rắn có thể khuếch đại. Trớ trêu là thiết bị thành công lại hoạt động theo cơ chế khác với ý tưởng hiệu ứng trường ban đầu, và chính hiệu ứng trường, khi bài toán bề mặt được giải sau này, mới trở thành công nghệ thống trị.
Shockley, bóng bán dẫn tiếp giáp và rạn nứt trong nhóm
Shockley không có mặt trong thí nghiệm then chốt, và việc ban lãnh đạo Bell Labs muốn đăng ký sáng chế chỉ với tên Bardeen và Brattain (vì ý tưởng hiệu ứng trường của Shockley trùng với các bằng sáng chế cũ của Lilienfeld) khiến ông không hài lòng. Trong vài tuần cuối năm 1947 và tháng 1/1948, Shockley tự mình phát triển lý thuyết bóng bán dẫn tiếp giáp, trong đó dòng điện đi qua khối bán dẫn chứ không chỉ trên bề mặt.
Bóng bán dẫn tiếp giáp dễ sản xuất hơn, ổn định hơn và có thể phân tích bằng lý thuyết. Shockley công bố lý thuyết năm 1949; những chiếc bóng bán dẫn tiếp giáp hoạt động được chế tạo khoảng năm 1950–1951. Cuốn Electrons and Holes in Semiconductors của ông năm 1950 trở thành sách nền tảng của ngành.
Tuy vậy, cách làm việc của Shockley làm nhóm tan rã. Bardeen rời Bell Labs năm 1951 sang Đại học Illinois, nơi ông cùng các cộng sự phát triển lý thuyết siêu dẫn BCS và nhận Nobel Vật lý lần thứ hai năm 1972, người duy nhất cho tới nay nhận hai giải Nobel Vật lý. Shockley rời Bell Labs, lập Phòng thí nghiệm Bán dẫn Shockley ở California năm 1956, và chính sự bất mãn với phong cách quản lý của ông khiến tám nhà khoa học rời đi năm 1957 để lập Fairchild Semiconductor, hạt nhân của vùng mà sau này được gọi là Thung lũng Silicon.
Dòng thời gian: từ germani tới silic và vi mạch
Một thập kỷ rưỡi sau năm 1947 là chuỗi các phát minh nối tiếp, mỗi bước giải quyết một hạn chế của bước trước:
- 1952: Bell Labs tổ chức hội nghị cấp phép công nghệ bóng bán dẫn cho các công ty khác với mức phí khoảng 25.000 đô-la, mở công nghệ ra cho nhiều nhà sản xuất.
- 1954: Gordon Teal ở Texas Instruments công bố bóng bán dẫn silic, chịu nhiệt tốt hơn germani. Cùng năm, radio bỏ túi Regency TR-1 dùng bóng bán dẫn của Texas Instruments ra thị trường.
- 1955: công ty Nhật Tokyo Tsushin Kogyo, sau đổi tên thành Sony, tung ra radio bóng bán dẫn đầu tiên của mình, sau khi mua giấy phép công nghệ từ Western Electric.
- 1958: Jack Kilby ở Texas Instruments trình diễn vi mạch tích hợp đầu tiên, trên một miếng germani với các linh kiện nối bằng dây vàng hàn tay.
- 1959: Jean Hoerni ở Fairchild phát triển quy trình planar, bảo vệ tiếp giáp bằng lớp oxit silic. Robert Noyce dựa vào đó đề xuất vi mạch silic với các kết nối kim loại nằm phẳng trên bề mặt, đơn sáng chế nộp năm 1959.
- 1959: Mohamed Atalla và Dawon Kahng ở Bell Labs chế tạo MOSFET, transistor hiệu ứng trường kim loại – oxit – bán dẫn, dùng lớp oxit silic để giải quyết đúng bài toán trạng thái bề mặt từng làm Shockley thất bại năm 1947.
- 1965: Gordon Moore, khi đó ở Fairchild, viết bài trên tạp chí Electronics dự báo số linh kiện trên một chip tăng gấp đôi mỗi năm; năm 1975 ông điều chỉnh thành khoảng hai năm một lần.
Kilby và Noyce: hai vi mạch, một tranh chấp
Vi mạch tích hợp là một trường hợp phát minh đồng thời được ghi nhận khá rõ, và cách giải quyết tranh chấp mang tính thực dụng:
| Tiêu chí | Jack Kilby (Texas Instruments) | Robert Noyce (Fairchild) |
|---|---|---|
| Thời điểm | Trình diễn tháng 9/1958 | Ý tưởng đầu năm 1959, đơn sáng chế giữa năm 1959 |
| Vật liệu | Germani | Silic |
| Kết nối giữa linh kiện | Dây vàng hàn tay nổi trên bề mặt | Lớp kim loại nằm phẳng trên lớp oxit, chế tạo bằng quang khắc |
| Khả năng sản xuất hàng loạt | Hạn chế | Cao, là nền tảng của sản xuất chip về sau |
| Tranh chấp sáng chế | Texas Instruments kiện để bảo vệ quyền ưu tiên về ý tưởng tích hợp | Fairchild bảo vệ bằng về kết nối phẳng; hai bên thoả thuận cấp phép chéo năm 1966 |
| Ghi nhận | Nobel Vật lý năm 2000 | Mất năm 1990, trước khi giải được trao (Nobel không trao cho người đã mất) |
Đánh giá phổ biến của sử gia: Kilby chứng minh ý tưởng đặt mọi linh kiện trên một khối bán dẫn là khả thi; Noyce, dựa trên quy trình planar của Hoerni, đưa ra cách làm sản xuất được. Cả hai đều cần thiết, và thoả thuận cấp phép chéo cho phép ngành công nghiệp phát triển thay vì bị kẹt trong kiện tụng.
Ai thật sự phát minh ra bóng bán dẫn: những người đến trước và đến cùng lúc
Julius Lilienfeld (1925–1930). Nhà vật lý gốc Áo – Hung làm việc ở Đức rồi Mỹ, đăng ký sáng chế ở Canada năm 1925 và được cấp các bằng sáng chế Mỹ khoảng năm 1930 mô tả nguyên lý transistor hiệu ứng trường. Không có bằng chứng ông chế tạo được thiết bị hoạt động, vì vật liệu bán dẫn đủ tinh khiết khi đó chưa có. Các bằng này đủ để Bell Labs không thể đăng ký bảo hộ rộng cho ý tưởng hiệu ứng trường của Shockley.
Herbert Mataré và Heinrich Welker (1948). Hai nhà vật lý Đức làm việc cho một công ty con của Westinghouse ở Paris đã chế tạo bóng bán dẫn tiếp điểm điểm độc lập với Bell Labs, công bố năm 1948 dưới tên “transistron”, và được dùng trong mạng điện thoại Pháp. Nền tảng của họ đến từ nghiên cứu đầu dò radar thời chiến ở Đức.
Bardeen, Brattain, Shockley (1947–1948). Họ là những người đầu tiên chế tạo được bóng bán dẫn hoạt động, hiểu được vì sao nó hoạt động, và công bố trong một tổ chức có năng lực đưa nó vào sản xuất. Đây là lý do giải Nobel và lịch sử chính thống ghi nhận họ.
Câu trả lời trung thực. Nguyên lý có trước (Lilienfeld), thiết bị đầu tiên là thành quả của Bell Labs, có một phát minh độc lập gần cùng lúc (Mataré – Welker), và loại transistor thống trị ngày nay (MOSFET) là của người khác nữa. Đây là mẫu hình chung của các phát minh nền tảng thế kỷ XX: phát minh của tổ chức và mạng lưới hơn là của cá nhân.
Vì sao bóng bán dẫn lan rộng nhanh như vậy
Một phần quan trọng của câu trả lời nằm ở chính sách cấp phép. Hệ thống Bell khi đó đang chịu sức ép chống độc quyền từ chính phủ Mỹ, và việc cấp phép rộng rãi công nghệ bóng bán dẫn với mức phí phải chăng giúp giảm sức ép đó. Thoả thuận năm 1956 giữa AT&T và Bộ Tư pháp Mỹ còn yêu cầu cấp phép nhiều bằng sáng chế hiện có. Nhiều nhà kinh tế học cho rằng chính sự lan toả bắt buộc này đã góp phần hình thành ngành bán dẫn cạnh tranh, với vô số công ty mới.
Phần thứ hai là nhu cầu quân sự và không gian của Mỹ trong thập niên 1950–1960: tên lửa và tàu vũ trụ cần thiết bị nhỏ, nhẹ, đáng tin cậy, và chính phủ sẵn sàng trả giá cao cho những vi mạch đầu tiên khi chúng còn đắt. Đây là thị trường đầu tiên đủ lớn để các nhà sản xuất cải tiến quy trình và hạ giá thành, trước khi thị trường dân dụng tiếp nhận.
Phần thứ ba là sự di chuyển của con người. Kỹ sư rời Bell Labs, rời Shockley, rời Fairchild để lập công ty mới, mang theo kiến thức ngầm. AnnaLee Saxenian, trong nghiên cứu so sánh Thung lũng Silicon với hành lang Route 128 ở Boston (1994), nhấn mạnh văn hoá di chuyển và chia sẻ thông tin giữa các công ty; luật gia Ronald Gilson bổ sung rằng việc bang California không thực thi điều khoản cấm cạnh tranh trong hợp đồng lao động là một nền tảng pháp lý cho văn hoá đó.
Với Việt Nam, nơi ngành bán dẫn đang được đặt ưu tiên, bài học là công nghệ lõi chỉ tạo ra một ngành công nghiệp khi có ba thứ đi kèm: tri thức được lan toả, thị trường đầu tiên chấp nhận giá cao, và nhân lực được tự do di chuyển giữa các tổ chức.
Câu hỏi thường gặp
Bóng bán dẫn đầu tiên được làm từ vật liệu gì?
Bóng bán dẫn đầu tiên năm 1947 dùng một khối germani với hai tiếp điểm bằng lá vàng. Germani dễ tinh chế hơn silic vào thời đó, nhưng chịu nhiệt kém, dòng rò lớn khi nóng. Từ năm 1954, silic dần thay thế nhờ chịu nhiệt tốt hơn và có lớp oxit tự nhiên rất hữu ích cho chế tạo, điều làm nên quy trình planar và MOSFET.
Vì sao Shockley có tên trong giải Nobel dù không có mặt trong thí nghiệm năm 1947?
Giải Nobel năm 1956 được trao cho nghiên cứu về chất bán dẫn và khám phá hiệu ứng transistor, không chỉ cho một thiết bị. Shockley là người khởi xướng và dẫn dắt chương trình nghiên cứu, và lý thuyết bóng bán dẫn tiếp giáp của ông là nền tảng cho thế hệ transistor sản xuất hàng loạt đầu tiên. Ủy ban Nobel đánh giá đóng góp của ông là trọng yếu.
Bóng bán dẫn khác đèn điện tử chân không ở điểm cốt lõi nào?
Cả hai đều dùng một tín hiệu nhỏ để điều khiển dòng điện lớn hơn. Đèn chân không làm điều đó với điện tử bay trong chân không, cần sợi đốt nóng để phát điện tử. Bóng bán dẫn điều khiển hạt tải điện trong chất rắn, không cần sợi đốt, nên nhỏ hơn, bền hơn, tốn ít điện hơn và quan trọng nhất là có thể thu nhỏ và chế tạo hàng loạt.
Định luật Moore có phải là quy luật vật lý không?
Không. Đó là một quan sát thực nghiệm về xu hướng kinh tế – kỹ thuật, được ngành công nghiệp dùng làm mục tiêu lập kế hoạch nên phần nào tự trở thành hiện thực. Tốc độ thu nhỏ transistor đã chậm lại rõ rệt từ khoảng thập niên 2010 do giới hạn vật lý và chi phí sản xuất tăng vọt, nên ngành chuyển sang cấu trúc ba chiều và đóng gói tiên tiến.
Có bằng chứng Bell Labs biết về công trình của Mataré và Welker không?
Hai nhóm làm việc độc lập, và thiết bị của Mataré, Welker được công bố sau Bell Labs vài tháng. Không có bằng chứng sao chép từ phía nào. Nhóm Pháp – Đức bị lãng quên phần lớn vì thiếu một hệ sinh thái công nghiệp đủ lớn để đưa thiết bị đi xa, một minh hoạ cho việc vị trí trong lịch sử phụ thuộc cả vào hạ tầng thương mại hoá.
Vì sao MOSFET mới là loại transistor quan trọng nhất hiện nay?
MOSFET dễ thu nhỏ, tốn rất ít năng lượng khi không chuyển mạch nếu ghép thành cặp bổ sung (công nghệ CMOS) và có thể chế tạo hàng tỷ chiếc trên một chip bằng quang khắc. Ước tính phổ biến cho rằng MOSFET là thiết bị được sản xuất với số lượng lớn nhất trong lịch sử loài người, vượt xa mọi sản phẩm khác.