Nhờ đèn điện tử chân không ba cực (vacuum-tube triode), chúng ta đã có thể gọi điện thoại đường dài và nghe được âm thanh trên phim ảnh. Không chỉ vậy, đèn ba cực chân không còn thúc đẩy ngành công nghiệp radio thương mại, một ngành công nghiệp có giá trị hơn một tỷ đô la vào năm 1929. Tuy nhiên, nó lại tiêu thụ nhiều điện và quá dễ vỡ, đòi hỏi sản phẩm thay thế bền và hiệu quả hơn.
Mục tiêu mà các nhà vật lý thời đó hướng tới là một thiết bị ba cực làm từ chất bán dẫn tiếp nhận tín hiệu điện thấp hơn ở cực đầu vào, và dùng nó để kiểm soát dòng điện lớn hơn chạy giữa hai cực còn lại, nhờ đó khuếch đại tín hiệu ban đầu. Nguyên lý chính của nó là hiệu ứng trường – trường điện tác dụng lên vật liệu, làm thay đổi tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn.
Tuy nhiên, làm ra một thiết bị như vậy không hề dễ dàng. Bằng sáng chế cho các thiết bị giống bóng bán dẫn (transistor) được nộp từ năm 1925, nhưng trường hợp đầu tiên ghi nhận về một transistor có thể hoạt động là transistor tiếp điểm huyền thoại (point-contact transistor), ra đời tại Phòng thí nghiệm Bell (Bell Labs) vào mùa thu năm 1947, một linh kiện bán dẫn làm cách mạng hóa các thiết bị điện tử và mở ra con đường cho thời đại số. Dẫu vậy, không có tài liệu đầy đủ nào về cơ chế của loại transistor này.
Transistor tiếp điểm là một tập hợp gồm gecmani, nêm nhựa và hai điểm tiếp xúc bằng vàng, nằm dưới chiếc lò xo. Người phát minh ra nó là nhà lý thuyết John Bardeen và nhà thực nghiệm Walter Brattain, cả hai làm việc dưới trướng William Shockley – mối quan hệ gây tranh cãi sau này.
Dù cồng kềnh và mỏng manh nhưng đó là bộ khuếch đại bán dẫn đầu tiên và thế hệ sau của nó đã thay đổi thế giới. Bardeen và Brattain đã tiếp tục cải tiến phát minh của mình và nhờ thế, các transistor tiếp điểm đã được đưa vào sản xuất tại nhiều công ty. Chúng được dùng trong máy trợ thính, máy tạo dao động, thiết bị định tuyến điện thoại... Trên thực tế, transistor tiếp điểm vẫn được sản xuất cho tới năm 1966, một phần do tốc độ vượt trội của chúng so với các sản phẩm khác.
Nhóm ở Bell Labs không phải nhóm duy nhất thành công. Tại Pháp, hai nhà vật lý người Đức Herbert Mataré và Heinrich Welker cũng tạo ra bộ khuếch đại bán dẫn ba cực, chế tạo transistor tiếp điểm thành công vào tháng 6/1948. Khoảng một tuần sau đó, hai người kinh ngạc khi nghe tin Bell Labs công bố phát minh mới trong cuộc họp báo vào ngày 30/6/1948. Dù chúng được phát triển hoàn toàn độc lập và bí mật, nhưng hai thiết bị này ít nhiều đều giống nhau.
Phát minh sinh ra từ lòng phẫn nộTại đây, câu chuyện về transistor có một bước ngoặt ngoạn mục. William Shockley, sếp của Bardeen và Brattain, đã tức giận khi tên ông không được đưa vào đơn xin cấp bằng sáng chế transistor. Ông tin rằng hai người họ đã áp dụng lý thuyết của ông về sử dụng trường điện làm thay đổi tính chất của vật liệu bán dẫn vào thiết bị của họ và không ghi nhận công lao của mình (tuy nhiên, vào năm 1945, transistor mà Shockley dùng chính lý thuyết đó để chế tạo lại không hoạt động).
Cuối tháng 12/1947, chỉ hai tuần sau thành công ban đầu của transistor tiếp điểm, Shockley đã đến Chicago để tham dự cuộc họp thường niên của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Vào đêm giao thừa, ông đã nhốt mình trong phòng khách sạn, rồi cảm xúc ghen tị và phẫn nộ đã thúc đẩy ông bắt tay vào thiết kế một transistor của riêng mình. Trong ba ngày quên ăn quên ngủ, ông viết ra khoảng 30 trang ghi chú. Tới cuối tháng sau, Shockley có thiết kế cơ bản cho sản phẩm sau này gọi là transistor lưỡng cực (BJT), thứ cuối cùng sẽ thay thế transistor tiếp điểm và là transistor chủ đạo cho tới cuối những năm 1970.
BJT dựa trên niềm tin của Shockley rằng điện tích có thể chạy qua các chất bán dẫn khối thay vì qua lớp mỏng trên bề mặt. Thiết bị gồm ba lớp bán dẫn: cực phát, cực gốc ở giữa và cực thu. BJT là công nghệ được dùng để tạo ra các mạch tích hợp, từ những mạch đầu tiên vào đầu những năm 1960 cho đến cuối những năm 1970. Bằng phát minh này, Shockley cùng với John Bardeen và Walter Brattain đã được đồng trao Giải thưởng Nobel về Vật lý vào năm 1956 “bởi những nghiên cứu về bán dẫn và khám phá về hiệu ứng transistor”.
Về sau, tương lai của ba nhà khoa học này đi theo những hướng rất khác nhau. Bardeen rời Bell Labs và nhậm chức giáo sư tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign. Tại đây, vào năm 1972, ông giành Giải Nobel Vật lý thứ hai cho lý thuyết siêu dẫn đối lưu cùng với hai nhà khoa học khác là Leon Neil Cooper và John Robert Schrieffer. Cho đến hiện tại, Bardeen là người duy nhất giành được hai giải Nobel Vật lý. Còn Brattain ở lại Bell Labs cho đến năm 1967, khi ông tới giảng dạy tại Trường Whitman ở Walla Walla, Washington.
Về phần Shockley, ông đã thực sự đưa silicon vào Thung lũng Silicon khi thành lập một công ty dẫn đầu về chuyển đổi từ germanium sang silicon làm chất bán dẫn điện tử. Kết quả từ những nỗ lực của ông nhằm thương mại hóa một thiết kế bán dẫn mới vào những năm 1950 và 1960 đã phần nào biến Thung lũng Silicon thành cái nôi của những đổi mới về điện tử. Đáng tiếc, do thiếu khả năng quản lý, công ty của ông lụi bại. Các nhân viên từ công ty của ông tiếp tục thành lập Fairchild Semiconductor, và sau đó là Intel. Còn Shockley tới Stanford làm giáo sư và bắt đầu tin tưởng và tuyên truyền thuyết ưu sinh học. Ông qua đời trong cảnh cô độc, không bạn bè vào năm 1989.
Tác động của transistor
Đầu những năm 1980, transistor lưỡng cực do Shockley thiết kế đã hết vai trò lịch sử và ra khỏi thị trường, nhường chỗ cho các transistor hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn (MOSFET). Trên thực tế, chính các transistor hiệu ứng trường này, đầu tiên là transistor hiệu ứng trường tiếp giáp và sau này là MOSFET, cuối cùng đã hiện thực hóa giấc mơ dài nhiều thập niên về một thiết bị bán dẫn ba cực hoạt động dựa trên hiệu ứng trường.
Khi MOSFET ra đời, nó đã trở thành loại transistor phổ biến nhất vì có nhiều ưu điểm hơn so với các sản phẩm trước đó. Chẳng hạn, nó dễ sản xuất hơn, có thể thu nhỏ kích thước và tiêu thụ ít điện năng. Nhờ vậy, chúng ta có thể thu nhỏ các thiết bị điện tử, dẫn đến sự phát triển của mạch tích hợp và bộ vi xử lý.
Những tiến bộ này đã mở đường cho kỷ nguyên số, cho phép phát triển các thiết bị điện tử ngày càng mạnh mẽ và phức tạp, biến đổi xã hội chúng ta đang sống theo vô số cách. Từ máy tính và điện thoại thông minh đến ô tô và đồ gia dụng, thiết bị y tế và thám hiểm không gian, transistor đã đóng vai trò quan trọng trong việc định hình thế giới như chúng ta biết ngày nay.
Nguồn:
spectrum.ieee.org, wevolver.com, nobelprize.org
Bài đăng KH&PT số 1333 (số 9/2025)