Câu chuyện về phát minh bóng bán dẫn tại Phòng thí nghiệm Bell năm 1947 thường được kể như chuyện của ba nhà vật lý thiên tài: Shockley, Bardeen và Brattain. Nhưng nhìn lại giai đoạn 1947–1957, điều làm bóng bán dẫn thay đổi thế giới lại không nằm ở khoảnh khắc trong phòng thí nghiệm. Bài viết đi theo năm «tấm ảnh» của video để xem điều đó.
Tóm tắt nhanh
Ngày 16 tháng Mười Hai năm 1947, Bardeen và Brattain chế tạo thành công bóng bán dẫn đầu tiên, còn Shockley bị gạt khỏi bằng sáng chế và sau đó rạn nứt với nhóm. Tuy vậy, thiết bị này chỉ thành bước ngoặt khi Bell, đang bị chính phủ Mỹ kiện chống độc quyền, mở cửa cấp phép và dạy cách chế tạo cho nhiều công ty từ năm 1951–1952.
Diễn biến chính
Tấm ảnh năm 1948 và giấc mơ về tinh thể
Năm 1948, Bell phát đi tấm ảnh quảng bá: Shockley ngồi giữa, Bardeen và Brattain đứng sau, trên bàn thí nghiệm và chiếc kính hiển vi của Brattain. Theo lời kể trong sách, Shockley bước tới ngồi vào ghế của Brattain ngay trước khi bấm máy; chi tiết này chưa chắc. Điều chắc hơn là Brattain ghét tấm ảnh ấy.
Mạng điện thoại Mỹ khi đó chạy bằng đèn điện tử: nóng, tốn điện, dễ vỡ. Năm 1936, Mervin Kelly của Bell muốn tìm chất thay thế, và đưa Shockley về từ MIT. Năm 1939, Shockley ghi vào sổ tay ý tưởng làm bộ khuếch đại bằng chất bán dẫn; thử nghiệm cùng Brattain khi ấy không có kết quả.
1945–1946: hiệu ứng trường thất bại, Bardeen tìm ra «trạng thái bề mặt»
Chiến tranh tạm dừng giấc mơ ấy. Năm 1945, Kelly lập nhóm vật lý chất rắn do Shockley đứng đầu. Thiết bị hiệu ứng trường của Shockley dựng thử mùa xuân năm đó không chạy. Ông tuyển John Bardeen, và tháng Ba năm 1946 Bardeen giải thích rằng electron bị mắc kẹt trên bề mặt tinh thể, gọi là trạng thái bề mặt. Lời giải này cũng ngầm cho thấy một giả định Shockley từng công bố là sai.
Tháng Mười Một–Mười Hai 1947: «Tháng phép màu»
Brattain giỏi tay nghề, Bardeen giỏi lý thuyết; họ thường bàn bạc trong văn phòng Bardeen rồi Brattain mang ý tưởng xuống bàn thí nghiệm. Giữa tháng Mười Một, nhờ gợi ý của Robert Gibney về chất điện phân, nhóm có bộ khuếch đại đầu tiên, yếu và chậm. Sau đó họ bỏ chất lỏng, dùng nêm nhựa bọc lá vàng rạch bằng dao cạo để có hai tiếp điểm sát nhau.
Ngày 16 tháng Mười Hai năm 1947, tín hiệu được khuếch đại khoảng một trăm lần, lên tới dải âm thanh nghe được. Hai ngày trước Giáng sinh họ trình diễn cho lãnh đạo Bell; Shockley gọi đó là món quà Giáng sinh tuyệt vời, nhưng cũng thú nhận nỗi cay đắng vì mình không phải một trong những người phát minh.
1948: bằng sáng chế, chiếc «bánh kẹp» và rạn nứt
Shockley muốn một bằng sáng chế đứng tên mình, bắt đầu từ hiệu ứng trường. Brattain nổi nóng, nói vinh quang đủ chia cho mọi người. Các luật sư của Bell thấy ý tưởng hiệu ứng trường đã có người đăng ký hơn hai mươi năm trước, nên bằng sáng chế chiếc nêm vàng chỉ ghi Bardeen và Brattain.
Cuối tháng Một năm 1948, Shockley nghĩ ra bóng bán dẫn tiếp giáp, kiểu «bánh kẹp» ba lớp, và giữ kín đến buổi họp ngày 18 tháng Hai. Bardeen và Brattain là những người cuối cùng biết. Ngày 30 tháng Sáu, Bell họp báo và đặt tên «transistor» (do John Pierce nghĩ ra); hôm sau, New York Times chỉ đăng vài dòng ở mục tin phát thanh.
1949–1952: vụ kiện và cuốn «sách nấu ăn»
Tháng Một năm 1949, Bộ Tư pháp Mỹ kiện AT&T và Western Electric theo luật chống độc quyền, nhắm cả vào các bằng sáng chế bóng bán dẫn. Mervin Kelly chọn mở cửa thay vì ôm chặt phát minh, một phần để cho chính phủ thấy thiện chí, một phần vì tin rằng nhiều phòng thí nghiệm cùng cải tiến cuối cùng cũng có lợi cho AT&T.
Tháng Chín năm 1951, khoảng ba trăm người được mời nghe giới thiệu; ai muốn biết cách chế tạo phải trả 25.000 đô la trả trước, khoản này trừ dần vào tiền bản quyền. IBM, General Electric, RCA và cả những cái tên nhỏ như Texas Instruments đều xếp hàng. Tháng Tư năm 1952, hơn một trăm kỹ sư học nuôi tinh thể germani, cắt, mài, hàn, đo thử, rồi tham quan nhà máy Western Electric ở Allentown. Họ mang về bộ tài liệu được gọi là «sách dạy nấu ăn của Mẹ Bell».
1952–1957: từ máy trợ thính đến Thung lũng Silicon
Cuối năm 1952, máy trợ thính dùng bóng bán dẫn xuất hiện; đến năm 1954 gần như mọi máy trợ thính ở Mỹ chỉ dùng bóng bán dẫn. Ngày 18 tháng Mười năm 1954, radio Regency TR-1 với bốn bóng bán dẫn Texas Instruments ra mắt giá 49,95 đô la, bán hơn một trăm nghìn chiếc. Năm sau, công ty ở Tokyo mang tên Sony ra radio bóng bán dẫn của riêng mình.
Tháng Một năm 1956, vụ kiện khép lại bằng sắc lệnh đồng thuận: AT&T giữ độc quyền điện thoại nhưng phải cấp phép các bằng sáng chế đang có. Cùng năm, cả ba người nhận Nobel Vật lý. Bardeen sau đó đoạt Nobel lần hai năm 1972 cho lý thuyết siêu dẫn. Shockley mở phòng thí nghiệm riêng ở Mountain View, nhưng cách điều hành khiến nhân viên ngột ngạt; ngày 18 tháng Chín năm 1957, tám người trẻ rời đi lập Fairchild Semiconductor, trong đó có Robert Noyce và Gordon Moore, về sau lập Intel.
Điều còn tranh cãi hoặc cần thận trọng
- Cảnh Shockley ngồi vào ghế Brattain đúng lúc chụp ảnh là giai thoại từ sách, có thể đã được tô thêm. Còn chuyện Brattain ghét tấm ảnh thì chắc hơn.
- Các nguồn ghi khác nhau về hội thảo năm 1952: tám hay chín ngày, hai mươi sáu hay bốn mươi công ty mua giấy phép.
- Việc Bell cho phép các hãng máy trợ thính dùng công thức miễn phí: có người cho là để tưởng nhớ Alexander Graham Bell, có người cho là để xoa dịu vụ kiện.
- Sắc lệnh năm 1956 buộc cấp phép miễn phí hay thu phí hợp lý thì các nguồn chưa khớp nhau.
- Những chi tiết như tám người ký lên tờ một đô la, lời Bardeen nói với vợ, hay chuyện Sony xin chuyển ngoại tệ đều là «chuyện kể lại», chưa được kiểm chứng.
- Chiếc nêm vàng không biến mất ngay; nó vẫn được sản xuất, có lúc vài nghìn chiếc mỗi tháng, trước khi bóng bán dẫn tiếp giáp trở thành linh kiện chủ lực.
Vì sao câu chuyện này đáng nhớ?
Ngày 16 tháng Mười Hai năm 1947 chứng minh bóng bán dẫn có thể tồn tại; tháng Tư năm 1952 mới giúp nó có mặt ở khắp nơi. Các nhà kinh tế sau này ước tính rằng sau sắc lệnh năm 1956, phát minh dựa trên bằng sáng chế của Bell tăng chừng 17%, phần lớn nằm ngoài ngành điện thoại.
Với trí tuệ nhân tạo ngày nay, câu hỏi cũng tương tự: mở công thức cho mọi người, hay khóa trong một phòng thí nghiệm? Câu chuyện không đưa ra đáp án, chỉ nhắc rằng số phận của một phát minh thường được quyết định bởi việc ai được phép làm lại nó.
Câu hỏi thường gặp
Ai phát minh ra bóng bán dẫn?
Bóng bán dẫn đầu tiên (loại tiếp điểm, hay «nêm vàng») do John Bardeen và Walter Brattain làm ra tại Phòng thí nghiệm Bell cuối năm 1947. William Shockley, trưởng nhóm, sau đó nghĩ ra bóng bán dẫn tiếp giáp. Cả ba cùng nhận Nobel Vật lý năm 1956.
Bóng bán dẫn đầu tiên ra đời ngày nào?
Ngày 16 tháng Mười Hai năm 1947, Brattain ép mũi nêm bọc lá vàng xuống mẩu germani và thu được tín hiệu khuếch đại khoảng một trăm lần. Hai ngày trước Giáng sinh, nhóm trình diễn cho lãnh đạo Bell.
Vì sao Shockley không có tên trong bằng sáng chế chiếc nêm vàng?
Theo kịch bản, các luật sư của Bell thấy ý tưởng hiệu ứng trường đã được người khác đăng ký từ hơn hai mươi năm trước, nên bằng sáng chế chỉ mang tên Bardeen và Brattain.
«Sách dạy nấu ăn của Mẹ Bell» là gì?
Đó là bộ tài liệu dày mà hơn một trăm kỹ sư nhận được sau hội thảo tháng Tư năm 1952 của Bell, ghi gần như toàn bộ những gì Bell biết về chế tạo bóng bán dẫn. Người dự đặt cho nó cái tên trìu mến này.
Điều gì khiến bóng bán dẫn lan rộng khắp thế giới?
Không chỉ phát minh năm 1947. Sau vụ kiện chống độc quyền năm 1949, Bell cấp phép bằng sáng chế (phí trả trước 25.000 đô la) và dạy cách chế tạo, nên nhiều công ty như Texas Instruments và Sony làm được bóng bán dẫn.
Radio Regency TR-1 là gì?
Đó là chiếc radio bỏ túi dùng bốn bóng bán dẫn germani của Texas Instruments, ra mắt ngày 18 tháng Mười năm 1954 với giá 49,95 đô la và bán được hơn một trăm nghìn chiếc.
Tám kẻ phản bội là ai?
Là tám nhà khoa học trẻ rời phòng thí nghiệm của Shockley ngày 18 tháng Chín năm 1957 để lập Fairchild Semiconductor. Trong số đó có Robert Noyce và Gordon Moore, hai người sau này lập Intel.
Nguồn tham khảo
- Computer History Museum (bài blog về bóng bán dẫn, «Surface State Job», mảng đồ dùng tiêu dùng)
- PBS, loạt «Transistorized!» (các bài về tranh giành công trạng, chia sẻ công nghệ, Bardeen, phát minh bóng bán dẫn tiếp giáp)
- Linda Hall Library
- AAAS (2012) và Physics Today
- Watzinger và cộng sự, nghiên cứu về tác động của sắc lệnh đồng thuận năm 1956 với đổi mới
- Broadcasting (tư liệu về vụ kiện chống độc quyền), Electronics (1968), NAS
- Crystal Fire (sách; qua trích đoạn)
Bài viết tóm tắt từ video của kênh; nội dung mang tính giới thiệu.
