Vật liệu bán dẫn từng là một bí ẩn

Chân dung William Shockley. Ảnh: Sillicon Valley.

William Shockley từ lâu đã giả định rằng nếu muốn tìm được một "bộ chuyển mạch" tốt hơn, sẽ phải nhờ đến sự trợ giúp của một loại vật liệu tên là chất bán dẫn. Là con trai của một kỹ sư khai thác mỏ chu du khắp thế giới, Shockley chào đời ở London nhưng lớn lên giữa những tán cây ăn trái của thị trấn Palo Alto im lìm ở California. Là con một, ông hoàn toàn tin vào khả năng vượt trội của mình so với những người xung quanh, và ông đã cho mọi người thấy điều đó.

Ông học đại học tại Caltech, Nam California, trước khi lấy bằng tiến sĩ vật lý tại MIT và bắt đầu làm việc tại Bell Labs ở New Jersey, một trong những trung tâm khoa học và kỹ thuật hàng đầu thế giới khi đó. Tất cả đồng nghiệp đều thấy Shockley đáng ghét, nhưng họ cũng thừa nhận ông là nhà vật lý lý thuyết lỗi lạc. Trực giác của ông chính xác đến mức một đồng nghiệp phải thốt lên rằng dường như ông thực sự có thể nhìn thấy các electron khi chúng trượt qua các thanh kim loại hoặc liên kết các nguyên tử với nhau.

Chất bán dẫn, lĩnh vực chuyên môn của Shockley, là vật liệu độc nhất vô nhị. Hầu hết vật liệu đều cho dòng điện chạy qua tự do (như dây đồng) hoặc chặn dòng điện (như thủy tinh). Chất bán dẫn thì khác. Về bản chất, các vật liệu bán dẫn như silicon germani giống như thủy tinh, hầu như không dẫn điện. Nhưng khi thêm một số vật liệu và một điện trường, thì dòng điện có thể chạy qua. Ví dụ, thêm phốt pho hoặc antimon vào các vật liệu bán dẫn như silicon hoặc germani sẽ cho phép dòng điện âm chạy qua.

Vật liệu bán dẫn "kết hợp" với các thành phần khác đã mang lại cơ hội cho các loại thiết bị mới có thể tạo ra và điều khiển dòng điện. Tuy nhiên, việc làm chủ dòng electron trên các vật liệu bán dẫn như silicon hoặc germani là một giấc mơ xa vời chừng nào các tính chất điện của chúng vẫn còn là bí ẩn và chưa giải thích được.

Cho đến cuối thập niên 1940, bất chấp tất cả các trí tuệ vật lý tề tựu tại Bell Labs, không ai có thể giải thích tại sao các tấm vật liệu bán dẫn lại hoạt động theo những cách khó hiểu như vậy.

Năm 1945, Shockley lần đầu tiên đưa ra lý thuyết về thứ mà ông gọi là "van trạng thái rắn", phác thảo trong sổ tay một miếng silicon gắn với một cục pin 90 vôn. Ông đưa ra giả thuyết rằng việc đặt một miếng vật liệu bán dẫn như silicon vào môi trường điện trường có thể thu hút "các hạt electron tự do" được lưu trữ bên trong tụ lại gần rìa của chất bán dẫn. Nếu điện trường hút đủ một lượng electron, thì rìa của chất bán dẫn sẽ biến thành một vật liệu dẫn điện, giống như kim loại, luôn có số lượng lớn các electron tự do. Khi đó, một dòng điện có thể bắt đầu chạy qua một vật liệu mà trước đó hoàn toàn không dẫn điện. Shockley nhanh chóng chế tạo được một thiết bị như vậy, hy vọng việc đưa vào và lấy đi một điện trường bên trên miếng silicon có thể khiến nó hoạt động như một cái van, đóng và mở dòng electron chạy qua silicon.

Tuy nhiên, khi tiến hành thử nghiệm này, ông không thể thu được kết quả. "Không thể đo được gì, ông giải thích: "Khá bí ẩn". Trên thực tế, các dụng cụ đơn giản của thập niên 1940 quá thiếu chính xác nên không thể đo được một dòng điện rất nhỏ đang chạy qua.

Chris Miller/NXB Thế Giới & Nhã Nam