John Bardeen (trái), William Shockley (giữa) và Walter Brattain (phải) tại phòng thí nghiệm năm 1955. Ảnh: Hulton Archive
Theo Live Science, 3 nhà khoa học John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley ở Phòng thí nghiệm Bell tại New Jersey nhận bằng sáng chế của Mỹ ngày 3/10/1950, dành cho bóng bán dẫn, một trong những phát minh quan trọng nhất thế kỷ 20. Trước đó hai năm, họ từng xin cấp bằng sáng chế cho "bộ phận mạch 3 điện cực sử dụng vật liệu bán dẫn".
Ban đầu, bóng bán dẫn được thiết kế do công ty AT&T muốn cải tiến mạng lưới điện thoại. Ở thời điểm đó, AT&T khuếch đại và truyền tín hiệu điện thoại bằng đèn điện tử 3 cực, thiết bị bao gồm cực âm, cực dương và lưới điều khiển trong ống chân không, đảm bảo electron có thể di chuyển mà không va vào phân tử khí. Nhưng đèn điện tử 3 cực thường bị nóng quá mức, vì vậy vào thập niên 1930, Mervin Kelly, chủ tịch Phòng thí nghiệm Bell, bắt đầu tìm kiếm giải pháp thay thế. Ông bị thu hút bởi tiềm năng của bóng bán dẫn vốn có những đặc tính điện lai giữa chất cách điện và dẫn điện.
Cuối Thế chiến II, Kelly tuyển mộ đội ngũ nghiên cứu do Shockley đứng đầu để tìm cách thay thế đèn điện tử 3 cực ống chân không. Họ tiến hành một loạt thí nghiệm với silicon nhưng gặt hái ít thành công do khả năng khuếch đại kém. Năm 1947, Brattain và Bardeen đổi từ sử dụng silicon sang germanium. Nghiên cứu của họ dẫn tới sự ra đời của bóng bán dẫn sử dụng lò xo nhỏ để ép hai mảnh lá vàng mỏng vào tấm germanium. Loại bóng bán dẫn sơ khai này đòi hỏi điều chỉnh khéo léo để khuếch đại tín hiệu gấp 100 lần.
Năm 1948, Shockley cải tiến thiết kế đó với bóng bán dẫn tiếp giáp, đặt nền móng cho phần lớn bóng bán dẫn hiện đại. Mấu chốt của công nghệ này là khi điện áp truyền qua vật liệu bán dẫn, electron di chuyển bên trong vật liệu, để lại những "hố" tích điện dương. Do đó, có thể tạo ra vật liệu bán dẫn loại N hoặc P, vùng dư thừa điện tích âm hoặc dương. Khi điện cực kim loại tiếp xúc với vật liệu bán dẫn, dòng điện sẽ truyền theo một chiều nếu tiếp xúc với vật liệu loại N và chiều ngược trong vật liệu loại P.
Bóng bán dẫn tiếp giáp tận dụng đặc tính này thông qua vật liệu bán dẫn với 3 điện cực gắn kèm. Thông qua biến đổi điện áp, đặc tính của điện cực và vật liệu bán dẫn, có thể khuếch đại dòng điện, dẫn tới nhiều ứng dụng giá trị trong máy vô tuyến, TV, mạng lưới điện thoại và máy tính. Năm 1956, Shockley, Bardeen và Shockley giành giải Nobel Vật lý nhờ nghiên cứu về "hiệu ứng bóng bán dẫn".
Theo IEEE Spectrum, vài năm sau, nhà hóa học vật lý Morris Tanenbaum từng làm việc cùng Shockley ở Phòng thí nghiệm Bell trong thời gian ngắn, phát minh bóng bán dẫn silicon đầu tiên. Năm 1959, Jack Kilby ở công ty Texas Instruments xin cấp bằng sáng chế cho mạch tích hợp đầu tiên, hình thành nền tảng cho chip máy tính hiện đại. Năm 1968, Gordon Moore, nhà sáng lập Intel, nhận định bóng bán dẫn ngày càng thu nhỏ và những con chip trở nên mạnh gấp đôi ở tốc độ dễ dự đoán. Hiện nay, các nhà khoa học dự đoán máy tính lượng tử sẽ mở ra kỷ nguyên máy tính tiếp theo.
An Khang (Theo Live Science, IEEE Spectrum)
