Tại sao bóng bán dẫn lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Nhờ phát hiện về hiệu ứng bóng làm bằng chất bán dẫn mà John Bardeen đã nhận được giải Nobel đầu tiên của mình. Đại đa số các chất liệu nếu không là dẫn điện (chất dẫn điện) thì là cản trở dòng điện (chất cách điện). Thế nhưng, có một số chất liệu đôi khi lại cho phép một phần dòng điện đi qua (chất bán dẫn). Cuối thế kỷ XIX, con người đã phát hiện ra chất bán dẫn, thế nhưng không ai biết đến giá trị của nó cho đến khi Bardeen phát hiện ra hiệu ứng bóng bán dẫn.

Gần 50 năm trở lại đây, các kỹ thuật máy tính, kỹ thuật tính toán, công nghệ thông tin, chíp và mạch điện từ công nghệ bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn mở ra cuộc cách mạng cho ngành công nghiệp điện tử, là cơ sở hình thành nên những thiết bị điện tử và phần cứng máy tính quan trọng. Ngày nay, trong cuộc sống của con người và các lĩnh vực khoa học đều chịu sự ảnh hưởng cực lớn của công nghệ này.

Bóng bán dẫn được phát hiện ra như thế nào?

John Bardeen là một thần đồng, ông liên tục học vượt qua năm thứ 4, thứ 5 và thứ 6, và đến 21 tuổi ông có bằng thạc sĩ vật lý. Sau khi lấy được học vị tiến sĩ ở trường Đại học Havard, ông làm giáo sư giảng dạy vật lý tại trường đại học, cho tới năm 1945 ông nhận lời mời đến làm việc tại phòng thí nghiệm và nghiên cứu về những lĩnh vực điện tử và công nghệ cao.

Mùa thu năm 1947, Bardeen cùng hợp tác với water Brattain và William Shockley. Khi đó, hai người họ đã cùng nhau hợp tác để tìm ra ứng dụng của chất bán dẫn trong lĩnh vực điện tử. Cũng như John Bardeen, Shockley cũng mang một “giấc mơ công nghệ” đó là giải phóng các ứng dụng điện tử nặng nề, dễ vỡ, hao năng lượng, tỏa nhiệt ra khỏi môi trường chân không. Phải thay thế môi trường chân không bằng chất bán dẫn, phải làm cho chất bán dẫn vừa có thể phóng đại các tín hiệu điện tử vừa có thể tách được chúng. Tuy nhiên, mọi thí nghiệm của Shockley đều thất bại.

John Bardeen nghiên cứu và chứng thực những công thức toán học của Shockley là chính xác, phương pháp thí nghiệm cũng nhất quán với những lý luận sắn có. Và chắc chắn thí nghiệm đó của Shockley có thể tiến hành được, nhưng họ phát hiện rằng khi dùng nguyên tố Ge một loại chất bán dẫn thường thấy để làm thí nghiệm thì kết quả lại không hề tuân theo lý luận.

John Bardeen đoán rằng nhất định có vật không xác định nào đó trên bề mặt Ge đã cản trở dòng điện. Thế là ba người đã bắt đầu tiến hành thí nghiệm phản ứng của bề mặt chất bán dẫn với ánh sáng, nóng, lạnh và lỏng thậm chí với cả kim loại. Trên bàn thí nghiệm rộng, họ thử cho dòng điện chạy qua kim loại ở thể lòng, tiếp tục chạy qua các mối hàn và cuối cùng chạy vào Ge. Thí nghiệm này được tiến hành trong suốt khoảng thời gian tháng 11 và 12 năm 1947.

Họ phát hiện ra vai trò của những mối nối. Thông thường một dòng điện mạnh có thể chạy qua Ge và truyền đến phần đến kim loại mặt bên kia của chiếc bàn. Thế nhưng chúng không những chẳng hề khuếch đại được tín hiệu, trên thực tế còn tiêu hao năng lượng (làm cho tín hiệu yếu đi).

Tiếp đó, John Bardeen chú ý đến một hiện tường kỳ lạ vượt xa mọi dự đoán của ông. Do ông ngẫu nhiên mắc nhầm dây điện làm cho một dòng điện yếu truyền tới mối nối Ge. Dòng điện vô cùng yếu này khi chạy từ mối hàn sợi dây kim loại xuống bệ kim loại thì trong điện trở của Ge sinh ra một khoảng trống và như vậy dòng điện yếu đã biến chất bán dẫn thành chất siêu dẫn.

John Bardeen làm đi làm lại quá trình này mới khiến cho bản thân và các đồng nghiệp tin vào kết quả thí nghiệm khiến cho mọi người hết sức ngạc nhiên. Họ lần lượt làm thí nghiệm và kết quả thí nghiệm cho thấy đều như nhau: dòng điện mạnh thì điện trở mạnh, dòng điện yếu thì hầu như không tạo ra điện trơ.

John Bardeen đặt tên cho hiện tượng này là dịch chuyển điện trở hay còn gọi là bóng bán dẫn. Phát hiện này mang đến cho các kỹ sư một phương pháp thay đổi tín hiệu yếu đồng thời khuếch đại cường độ của nó lên đến một vài lần so với ban đầu. Bóng bán dẫn chỉ cần một không gian 1/50 ống chân không và 1/1 triệu động cơ là có thể phát huy tác dụng khuếch đại của nó. Ba nhà khoa học này đã cùng giành được giải Nobel cho phát minh khoa học này vào năm 1956.

schoolnet