bóng bán dẫn tiếp xúc điểm

ngay cả những người phát minh cũng đã không hiểu hoàn toàn về bóng bán dẫn tiếp xúc điểm
Glenn Zorpette ngày 20 tháng 11 năm 2022

năm 1955 AT&T công bố bức ảnh cho thấy (từ trái sang) một bóng bán dẫn quang, một bóng bán dẫn tiếp-giáp và một bóng bán dẫn tiếp xúc điểm.
ỐNG CHÂN KHÔNG TRI-ỐP chưa đầy 20 tuổi khi các nhà vật lý bắt đầu cố gắng tạo ra sản phẩm kế nhiệm, đây là ván đầu tư rất lớn. Ống ba cực đã không chỉ hiện thực hoá điện thoại đường dài và âm thanh phim, nó còn thúc đẩy toàn bộ doanh nghiệp phát thanh thương mại, một ngành công nghiệp trị giá hơn một tỷ đô la năm 1929. Nhưng các ống chân không rất ngốn điện và dễ vỡ. Nếu có thể tìm thấy một giải pháp thay thế chắc chắn, đáng tin cậy và hiệu quả hơn tri-ốp, phần thưởng sẽ là rất lớn.

mục tiêu là một thiết bị ba-đầu-cuối được làm từ vật liệu bán dẫn sẽ chấp nhận tín hiệu dòng điện thấp đi vào đầu vào và sử dụng nó để kiểm soát dòng điện lớn hơn chảy giữa hai thiết bị đầu cuối khác, nhờ thế sẽ khuếch đại tín hiệu ban đầu. Nguyên lý cơ bản của một thiết bị như vậy sẽ là một hiệu ứng trường - khả năng của điện trường để điều chỉnh độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn. Hiệu ứng trường đã được biết đến nhiều trong những ngày đó, nhờ các điốt và nghiên cứu liên quan đến vật liệu bán dẫn.

hai thập kỷ, việc chế tạo một thiết bị như vậy đã gây ra thách thức không thể vượt qua cho một số nhà vật lý hàng đầu thế giới. Các bằng sáng chế cho các thiết bị giống như bóng bán dẫn đã được nộp bắt đầu từ năm 1925, nhưng trường hợp đầu tiên được ghi nhận về bóng bán dẫn đang hoạt động là thiết bị tiếp xúc điểm huyền thoại được chế tạo tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell của công ty AT&T mùa thu năm 1947.

dù bóng bán dẫn tiếp xúc điểm là phát minh quan trọng nhất thế kỷ 20, đáng ngạc nhiên là không có ghi nhận nào rõ ràng, đầy đủ và có thẩm quyền về cách thức hoạt động của sản phẩm. Các bóng bán dẫn tiếp-giáp và bóng bán dẫn phẳng hiện đại, mạnh mẽ hơn là nhờ vào vật lý trong một cục linh kiện bán dẫn, thay vì các hiệu ứng bề mặt đã được khai thác trong bóng bán dẫn đầu tiên. Và khá ít nỗ lực nghiên cứu đã được chú ý đến cho khác biệt này.

bức ảnh cắt của một bóng bán dẫn điểm tiếp xúc, có thể nhìn thấy hai dây dẫn mỏng; chúng kết nối với các điểm tiếp xúc với một phiến gecmani nhỏ. Một trong những điểm này là bộ phát và điểm còn lại là bộ thu. Điểm tiếp xúc thứ ba, cực gốc, được gắn vào mặt sau của gecmani
sản phẩm là một tập hợp trông vô duyên gồm gecmani, nhựa polystyren và lá vàng, tất cả đều được phủ lên bởi một lò xo nguệch ngoẹo. Các nhà phát minh là lý thuyết gia John Bardeen kiệm lời đến từ vùng Trung Tây, và nhà thực nghiệm lắm mồm và "hơi nóng tính" Walter Brattain đều đang làm việc dưới trướng William Shockley

tháng 11 năm 1947 Bardeen và Brattain đã bị cản trở bởi một vấn đề đơn giản. Trong vật liệu bán dẫn germani họ đang sử dụng, một lớp electron bề mặt dường như đang chặn một trường điện được áp lên, ngăn nó không xuyên được vật liệu bán dẫn và điều chế được dòng điện. Không điều chế, không khuếch đại tín hiệu.

cuối năm 1947 họ đạt được một giải pháp: hai mảnh lá vàng sẽ tách rời nhau vừa đủ xa, được đẩy nhẹ bởi một lò xo nguệch ngoẹo lên bề mặt của một phiến vật liệu gecmani nho nhỏ.

sách vở và các ghi chép thông thường đã có xu hướng bỏ qua cơ chế của bóng bán dẫn tiếp xúc điểm, chỉ giải thích cách hoạt động của các bóng bán dẫn hậu duệ gần đây. Thật vậy, ấn bản hiện tại của sách Nghệ thuật Điện tử tác giả Horowitz và Hill, được coi là sách giáo khoa của sinh viên điện và điện tử [EE electrical and electronics], không đề cập đến bóng bán dẫn tiếp xúc điểm, bỏ qua sự tồn tại của nó bằng cách nói sai rằng bóng bán dẫn tiếp-giáp là một "phát minh đoạt giải Nobel năm 1947." trong khi thực tế thì bóng bán dẫn được phát minh năm 1947 là tiếp xúc điểm; bóng bán dẫn tiếp-giáp được phát minh bởi Shockley năm 1948

có lẽ lời giải thích toàn diện nhất về bóng bán dẫn tiếp xúc điểm là nằm trong bài giảng của John Bardeen cho giải Nobel ấy, được ông giảng dạy năm 1956. Mặc dù vậy, việc đọc bài giảng ấy sẽ mang lại cho độc giả cảm giác rằng chính những nhà phát minh có thể đã lảng tránh một vài chi tiết tinh tế. Thomas Misa, cựu giám đốc Viện Lịch sử Khoa học và Công nghệ Charles Babbage tại Đại học Minnesota, cho biết: "Rất nhiều người đã bối rối bởi bóng bán dẫn tiếp xúc điểm".

năm 1957 giáo sư R. D. Middlebrook (ảnh dưới) kỹ thuật điện tại Caltech, người đã tiếp bước công việc tiên phong trong lĩnh vực điện tử điện lực, đã viết: "Do đặc điểm ba chiều của thiết bị, phân tích lý thuyết là khó; thực tế thì hoạt động bên trong vẫn chưa được hiểu hết."

ngày nay, trải qua 75 năm lý thuyết bán dẫn, bài viết này sẽ thử phân tích: Bóng bán dẫn tiếp xúc điểm được chế tạo dựa trên một phiến gecmani loại-n cỡ-ngón-tay-cái, thuật ngữ loại-n ám chỉ rằng vật liệu mang điện tích âm [negative] tức là dư thừa các electron.

phiến gecmani này đã được xử lý để tạo ra một lớp bề mặt rất mỏng loại-p, có nghĩa là nó dư thừa các điện tích dương. Những điện tích dương này được gọi là lỗ trống; thật ra là sự thiếu hụt cục bộ của các electron sẽ song hành với các nguyên tử của vật liệu bán dẫn, có thể coi như một hạt thực.

một điện cực được nối đất sẽ được gắn vào đáy của phiến gecmani ấy, tạo ra phần đế [base] của bóng bán dẫn. Hai dải lá vàng chạm lên bề mặt sẽ tạo ra hai điện cực nữa, được gọi là bộ phát và bộ thu.

xong thiết kế sản phẩm, khi hoạt động, một điện áp dương nhỏ - chưa đến một vôn - được áp lên bộ phát; và một điện áp âm lớn hơn - từ 4 đến 40 vôn - được áp lên bộ thu, tất cả là chênh lệch điện thế so với đế [base] nối đất. Ranh giới giữa lớp loại-p và phiến vật liệu loại-n đã tạo ra một tiếp giáp giống như tiếp giáp được tìm thấy trong đi-ốp: Về cơ bản, vùng tiếp giáp là một rào cản cho phép dòng điện chảy dễ dàng chỉ theo một hướng, về phía điện áp thấp hơn. Vì vậy, dòng điện có thể chảy từ bộ phát dương, vượt qua rào ngăn; trong khi không có dòng điện nào có thể chảy qua hàng rào ấy vào bộ thu.

bóng bán dẫn tiếp xúc điểm Type-2 của công ty Western Electric là bóng bán dẫn đầu tiên được sản xuất hàng loạt, năm 1951 tại nhà máy của Western Electric ở Allentown, tiểu bang Pennsylvania. Năm 1960 khi bức ảnh này được chụp, nhà máy đã chuyển sang sản xuất bóng bán dẫn tiếp-giáp. (TRUNG TÂM LƯU TRỮ LỊCH SỬ AT&T)
đầu tiên, ta ngắt kết nối bộ thu và xem điều gì xảy ra với bộ phát. Bộ phát đưa các điện tích dương - các lỗ trống - vào lớp loại-p, và những lỗ trống sẽ di chuyển về phía đế [base] nhưng không lao thẳng về phía base. Lớp mỏng buộc các lỗ trống phải dàn ngang ra trong một đoạn đường nhất định, trước khi đi qua rào chắn vào phiến vật liệu loại-n. Giống như việc từ từ rót một lượng nhỏ bột mịn lên bề mặt nước. Sau rốt, bột sẽ chìm hết, nhưng mới đầu thì bột sẽ trải ra thành một cục vòng tròn.

giờ ta kết nối bộ thu. Mặc dù bộ thu không thể tự hút được dòng điện qua hàng rào của điểm nối p-n, nhưng điện áp âm lớn và thù hình nhọn của bộ thu sẽ dẫn đến một trường điện tập trung sẽ xuyên qua gecmani. Bởi vì bộ thu rất gần với bộ phát và cũng có điện tích âm, bộ thu bắt đầu hút nhiều lỗ trống đang đi ra từ bộ phát. Dòng điện tích này sẽ khiến các lỗ trống sẽ tập trung gần hàng rào p-n ở bên dưới bộ thu. Mật độ lỗ trống sẽ làm giảm hiệu quả "sức mạnh" của rào cản, là thứ ngăn dòng điện chảy giữa bộ thu và đế. Vì hàng rào được hạ xuống, dòng điện bắt đầu chảy từ đế vào bộ thu - dòng điện lớn hơn nhiều so với dòng điện của bộ phát đang đưa vào bóng bán dẫn.

sức mạnh dòng điện sẽ tuỳ vào sức mạnh của rào cản. Điện áp của bộ phát bị giảm hoặc tăng nhỏ sẽ khiến rào cản thay đổi lên và xuống, tương ứng. Cho nên những dao động rất nhỏ của dòng điện bộ phát sẽ điều khiển những thay đổi rất lớn tại bộ thu. (kỹ sư điện và điện tử sẽ nhận thấy rằng các chức năng của đế và bộ phát đã bị đảo ngược so với các chức năng trong các bóng bán dẫn sau này, đế, không phải bộ phát, điều khiển phản ứng của bóng bán dẫn)

mặc dù dễ vỡ và không tinh tế, đây là một bộ khuếch đại bán dẫn, và thế hệ con cháu của nó sẽ thay đổi thế giới; ngày 16 tháng 12 năm 1947 Brattain nảy ra ý tưởng sử dụng một miếng nhựa dẻo polystyren hình tam giác, buộc một dải lá vàng, chỉ một khe nhỏ ngăn cách các tiếp điểm của bộ phát và bộ thu. Thiết kế đã giúp tăng điện năng lên mức đáng tin cậy, và hai người biết rằng họ đã thành công. Đêm ấy, đi chung xe công ty chở về nhà, Brattain nói với những người bạn đồng hành rằng anh vừa thực hiện "thí nghiệm quan trọng nhất mà tôi từng làm trong đời" và bắt họ thề giữ bí mật. Bardeen cũng không thể cưỡng lại việc khoe khoang, khi vợ Jane (ảnh dưới) chuẩn bị bữa tối hôm đó, Bardeen bảo vợ, "Hôm nay bọn anh đã phát hiện ra điều gì đó."; những đứa con của họ chạy khắp nhà bếp, vợ anh trả lời, "Thật tuyệt, anh yêu."

sản phẩm là một bóng bán dẫn khá ọp ẹp. Sau đó, các nhà phát minh đã có ý tưởng dùng điện tạo thành bộ thu, bằng cách truyền các dòng điện lớn qua nó, trong khi sản xuất bóng bán dẫn. Kỹ thuật này cho phép họ có được các dòng điện lớn hơn một chút, mà không bị giới hạn quá bé bên trong lớp bề mặt. Tuy nhiên, ý tưởng mang tính hú hoạ. "Họ chỉ đơn giản là sẽ vứt bỏ sản phẩm nếu thử thấy không hoạt động," Misa nói.

các bóng bán dẫn tiếp điểm đã được đưa vào sản xuất ở nhiều công ty, bản quyền của AT&T, và năm 1951 cả ở chi nhánh sản xuất Western Electric của chính AT&T. Sản phẩm được sử dụng trong máy trợ thính (ảnh trên), bộ dao động, thiết bị định tuyến điện thoại, trong một máy thu Tivi thử nghiệm được chế tạo tại RCA và trong Tradic là máy điện toán kỹ thuật số trên không đầu tiên, và các hệ thống khác. Bóng bán dẫn tiếp xúc điểm đã được sản xuất cho đến năm 1966, phần vì tốc độ vượt trội so với các lựa chọn thay thế.

đội ngũ Bell Labs không phải nhóm duy nhất đã thành công theo đuổi bóng bán dẫn. Ở vùng Aulnay-sous-Bois ngoại ô phía đông bắc Paris, hai nhà vật lý người Đức, Herbert Mataré (ảnh trên) và Heinrich Welker (ảnh dưới) làm việc ở chi nhánh Westinghouse tại Pháp, cũng đang cố gắng chế tạo một bộ khuếch đại bán dẫn ba đầu. Họ đã bám theo những quan sát của Mataré đã thực hiện khi phát triển các bộ chỉnh lưu gecmani và silic cho quân đội Đức năm 1944. Tháng 6 năm 1948 hai người đã thành công tạo ra một bóng bán dẫn tiếp xúc điểm đáng tin cậy.

hai người rất ngạc nhiên, một tuần sau đó, khi Bell Labs tiết lộ tin tức về bóng bán dẫn tại một cuộc họp báo ngày 30 tháng 6 năm 1948. Mặc dù được phát triển hoàn toàn độc lập, và đều bí mật, hai thiết bị ít nhiều giống hệt nhau.

sếp William Shockley đã rất tức giận vì tên của anh không được vinh danh cùng với tên của Bardeen và Brattain trong đơn xin cấp bằng sáng chế ban đầu cho bóng bán dẫn. Shockley tin rằng Bardeen và Brattain đã áp dụng lý thuyết của Shockley về việc sử dụng các trường điện trong vật liệu bán dẫn vào thiết bị họ đang nghiên cứu, và đã không ghi nhận thoả đáng Shockley vào đăng ký sáng chế. Tuy nhiên, năm 1945 Shockley đã chế tạo một bóng bán dẫn dựa trên chính những lý thuyết đó, và nó đã không hoạt động.

năm 1953 kỹ sư Gerald Herzog công ty RCA đã lãnh đạo đội ngũ thiết kế và chế tạo chiếc tivi "hoàn toàn là bóng bán dẫn" đầu tiên (nhưng vẫn có một ống tia âm cực). Sản phẩm trang bị những bóng bán dẫn tiếp xúc điểm của RCA sản xuất, bản quyền của Bell Labs. BẢO TÀNG BÓNG BÁN DẪN JERRY HERZOG LỊCH SỬ TRUYỀN MIỆNG
cuối tháng 12 chỉ hai tuần sau thành công ban đầu của bóng bán dẫn tiếp xúc điểm, Shockley đến Chicago tham dự cuộc họp thường niên của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ. Đêm giao thừa, ẩn náu trong phòng khách sạn và bị thôi thúc lẫn lộn giữa đố kỵ và phẫn nộ, Shockley bắt đầu thiết kế một bóng bán dẫn của riêng mình. Trong ba ngày, anh đã viết nguệch ngoạc 30 trang ghi chú. Cuối tháng, anh đã có thiết kế cơ bản cho cái sẽ được gọi là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực [BJT bi-polar junction] cuối cùng sẽ thay thế bóng bán dẫn tiếp xúc điểm và ngự trị thị trường đến cuối thập niên 1970.

nhờ những kiến thức nội bộ đã lượm lặt từ công trình của Bell Labs, năm 1948 RCA bắt đầu phát triển các bóng bán dẫn tiếp điểm của riêng hãng. Loạt sản phẩm có bảy chiếc được hiển thị ảnh trên - bốn trong số đó đã được lắp trong Tivi trang bị 22 bóng bán dẫn của RCA chế tạo thử nghiệm năm 1953. Bốn cái này là TA153 [hàng trên, thứ hai từ trái sang], TA165 [trên, ngoài cùng bên phải], TA156 [hàng dưới, giữa] và TA172 [dưới, phải]. BỘ SƯU TẬP BẢO TÀNG TRANSISTOR JONATHAN HOPPE
BJT dựa trên niềm tin của Shockley rằng các điện tích có thể, và nên, chảy qua các vật liệu bán dẫn to lớn thay vì đi qua một lớp mỏng trên bề mặt. Thiết bị bao gồm ba lớp vật liệu bán dẫn, giống như một chiếc bánh sandwich: một bộ phát, một đế ở giữa và một bộ thu. Chúng được pha tạp xen kẽ, vì vậy có hai phiên bản: n-type/p-type/n-type, được gọi là "NPN" và p-type/n-type/p-type, được gọi là "PNP."

BJT cơ bản dựa trên các nguyên tắc giống như bóng bán dẫn tiếp điểm, nhưng sử dụng hai tiếp giáp p-n thay vì một. Khi được sử dụng như một bộ khuếch đại, một điện áp dương được áp dụng cho đế cho phép một dòng điện nhỏ chảy giữa nó và bộ phát, từ đó điều khiển một dòng điện lớn giữa bộ thu và bộ phát.

ví dụ một thiết bị NPN. Đế là loại-p, tức là dư các lỗ trống. Nhưng đế rất mỏng và chỉ được pha tạp nhẹ, vì vậy có tương đối ít lỗ trống. Một phần nhỏ các electron chảy vào kết hợp với các lỗ này và bị trung hoà điện tích, trong khi phần lớn (hơn 97%) các electron tiếp tục chảy qua đế mỏng và vào bộ thu, tạo ra dòng điện mạnh.

số ít electron đã kết hợp với các lỗ trống sẽ phải được rút ra từ đế, để duy trì bản chất loại-p của đế và dòng điện mạnh qua đế. Việc loại bỏ các electron "bị bắt" được thực hiện bởi một dòng điện tương đối nhỏ qua đế. Dòng điện nhỏ giọt ấy sẽ cho phép dòng điện mạnh hơn nhiều vào bộ thu, và sau đó ra khỏi bộ thu và vào mạch điện bộ thu. Thực tế thì, dòng điện nhỏ ở đế đang điều khiển mạch điện bộ thu.

các trường điện sẽ có vai trò, nhưng không phải là điều chế dòng điện, thứ mà các lý thuyết gia ban đầu đã nghĩ rằng sẽ phải xảy ra để một thiết bị như vậy hoạt động. Đại ý là: Cả hai vùng tiếp giáp p-n trong BJT đều bị bao bọc bởi các vùng nghèo, nơi các electron và lỗ trống đã kết hợp với nhau cho nên có ít những hạt mang điện tích di động. Điện áp được áp lên các vùng tiếp giáp sẽ tạo ra trường điện ở từng tiếp giáp, đẩy các điện tích qua các vùng đó. Các trường điện này cho phép các electron chảy từ bộ phát, qua đế và vào bộ thu.

trong BJT "những trường điện được áp lên sẽ ảnh hưởng đến mật độ hạt mang điện tích, nhưng vì hiệu ứng ấy là theo cấp số nhân, chỉ tốn một chút để tạo ra nhiều dòng điện khuếch tán", chủ tịch Ioannis John Kymissis (ảnh trên) khoa kỹ thuật điện của Đại học Columbia giải thích.

bóng bán dẫn đầu tiên là một thiết kế được gọi là tiếp xúc điểm, vì có các tiếp điểm kim loại chạm vào bề mặt của vật liệu bán dẫn. Họ đã tăng cường dòng điện đầu ra - được gắn tên là "Collector current" ở sơ đồ trên - bằng cách áp lên một điện áp để vượt qua một rào cản để dòng điện tích chảy. Những thay đổi nhỏ của dòng điện đầu vào, gọi là "emitter current", sẽ điều chế rào cản này, do đó điều khiển dòng điện đầu ra

bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực đã đạt được việc khuếch đại bằng cách sử dụng cùng những nguyên tắc ấy, chỉ khác là hai ranh giới trong vật liệu bán dẫn, gọi là các vùng tiếp giáp, thay vì chỉ một. Như với bóng bán dẫn tiếp xúc điểm, điện áp được áp lên sẽ vượt qua một rào cản và cho phép dòng điện đi qua, được điều chế bởi một dòng điện đầu vào nhỏ hơn. Cụ thể, các vùng tiếp giáp của vật liệu bán dẫn sẽ được bao bọc bởi các vùng nghèo, qua đó các hạt mang điện tích sẽ khuếch tán dưới tác động của trường điện. CHRIS PHILPO
BJT chắc chắn và đáng tin cậy hơn bóng bán dẫn tiếp xúc điểm, và những đặc điểm ấy đã tạo nên sự tính ưu việt của sản phẩm, nhưng phải mất một thời gian thì người ta mới công nhận. BJT là công nghệ được sử dụng để tạo ra các mạch tích hợp, từ những mạch đầu tiên đầu thập niên 1960 cho đến cuối thập niên 1970 khi các bóng bán dẫn hiệu-ứng-trường oxit-kim-loại-và-vật-liệu-bán-dẫn (MOSFET) kế tục. Thực ra, chính những bóng bán dẫn hiệu ứng trường này, đầu tiên là bóng bán dẫn hiệu-ứng-trường tiếp-giáp, sau đó là MOSFET sau rốt đã hiện thực hoá giấc mơ hàng thập kỷ về một thiết bị bán dẫn ba đầu sẽ hoạt động dựa trên hiệu ứng trường - tham vọng ban đầu của Shockley.

thập niên 1950 hãng AT&T và những công ty khác đang vật lộn để đưa ra những cách thiết thực và hiệu quả để sản xuất BJT mới. Đích thân Shockley đã tiếp tục đưa silic vào Thung lũng Silicon, chuyển đến Palo Alto và năm 1956 đã khởi nghiệp một công ty tiên phong chuyển đổi từ germani sang silic làm chất bán dẫn điện tử được lựa chọn. Nhân viên từ công ty của Shockley sẽ tiếp tục sáng lập Fairchild Semiconductor (ảnh dưới) và sau đó là Intel.

sau khi mất công ty vì công tác quản lý tồi tệ của mình, Shockley đảm nhiệm chức giáo sư tại Stanford và bắt đầu xuất bản các lý thuyết vô căn cứ và rối trí về chủng tộc, di truyền học và trí thông minh. Năm 1951 Bardeen rời Bell Labs để nhận chức giáo sư tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, nơi ông đã giành giải Nobel vật lý thứ hai, cho lý thuyết siêu dẫn. (Bardeen là người duy nhất giành được hai giải Nobel vật lý.) Brattain ở lại Bell Labs cho đến năm 1967 sang giảng dạy tại Đại học Whitman ở Walla Walla, Washington.

năm 1989 Shockley mất, bị coi là một kẻ lạc loài rất hiếm bạn bè. Phát minh bóng bán dẫn của Shockley sẽ thay đổi thế giới, mặc dù cuối năm 1953 viễn cảnh BJT vẫn chưa rõ ràng. Năm 1989 Donald G. Fink (ảnh trên) người sẽ giúp thành lập IEEE một thập kỷ sau đó, đã trả lời phỏng vấn, "liệu bóng bán dẫn là một thiếu niên mặt mụn trứng cá, hiện nay vụng về, nhưng triển vọng hứa hẹn trong tương lai? Hay bóng bán dẫn đã trưởng thành, đầy uể oải, bị vây quanh bởi những nỗi thất vọng? ”