A series of articles on “Microelectronics and Silicon Valley” - Part 1

Phía sau sự phát minh transistor ở Bell Labs

              Trần Trí Năng

                         (University of Minnesota & Ecosolar International)

Vào ngày 30 tháng 6 năm 1948, Bell Labs tuyên bố sự thành công về linh kiện bán dẫn transistor. Đây được xem như một trong hai phát minh về công nghệ quan trọng nhất của thế kỷ hai mươi. Ngày nay hầu như tất cả những dụng cụ dùng trong đời sống hàng ngày từ y khoa đến quốc pḥng đều tùy thuộc vào công nghệ vi mạch, nơi mà transistor đóng vai tṛ then chốt. Ngoài ra, transistor và mô h́nh quản lư tại Bell Labs là “cái mầm” đă “thắp sáng” và biến Silicon Valley thành trung tâm điện tử thế giới. Có một lần Bill Gates đă nói rằng “ nếu ông có cơ hội đi trở ngược thời gian với “chiếc máy thời gian”, trạm đầu tiên ông muốn ghé là Bell Labs”. Về Silicon Valley, trong bài nói chuyện vào năm 2005, Steve Jobs của hăng Apple Inc. ví hoạt động ở Silicon Valley như một cuộc chạy “relay race”. Trong cuộc chạy “relay” này, Bill Hewlett- Dave Packard (HP) và GS Federick Terman (Stanford) đă trao “baton” cho William Shockley (Shockley Semiconductor) và “the Traitorous Eight” (Fairchild Semiconductor); “nhóm “Traitorous Eight” sau này tạo ra nhiều hăng về vi mạch trong số đó có Intel, AMD và National Semiconductor. Rồi những người này trao “baton” cho thế hệ sau như Bill Gates (Microsoft), Steve Jobs (Apple), Larry Page/ Sergey Brin (Google) and Jerry Yang/ David Filo (Yahoo) trong việc phát triển PC và Internet và cuộc chạy relay race này sẽ tiếp tục qua nhiều thế hệ.

Bắt đầu từ số này, chúng tôi sẽ chia xẻ với bạn đọc một loạt bài liên quan đến Bell Labs, công nghệ vi mạch và Silicon Valley.

Từ khóa: point –contact transistor, junction transistor, vacuum tube, semiconductor amplifier, silicon, germanium, bipolar transistor, zone refining, diffused silicon, Silicon Valley.

Lời tựa

Hồi học ở Nhật, một trong những ước mơ của tôi là một ngày nào đó được thăm viếng Bell Labs. Trong thời gian nghiên cứu ở Osaka Prefecture University, tôi cũng có một số bài báo cáo được đăng trong những tạp chí hàng đầu trong ngành như Physical Review, Applied Physics Letters. Một hôm, tôi ngạc nhiên khi nhận được tấm card “request for published articles” từ ông Sigurd Wagner ở Bell Labs. Ông này cũng nghiên cứu trong lănh vực amorphous materials dùng trong pin mặt trời và phase change như tôi. Rồi cuối năm 1978, tôi nghĩ đến chuyện qua Mỹ để thực hiện giấc mơ của ḿnh

…Giả từ O-sa-ka những tháng năm đầy vơi
Đến xứ Mỹ thử một lần chọn lựa
Sóng gió bến xa đi thêm lần nữa
Đùa cợt với đời.
Ta quyết định dấn thân …

(TBA)

Tôi bắt đầu “rải” nhiều thư xin làm postdoc ở một số cơ quan ở Mỹ và Gia- nă- đại. Tôi cũng có viết thơ cho Bell Labs ở Holmdel. Chỗ nào tôi biết là tôi gửi không cần biết là họ có “opening” hay không !một liều ba bảy cũng liều” mà!

“…Khi quyết định ra đi t́m cuộc sống
Quản ngại ǵ những bước chân hoang …”

(TBA)

 May mắn tôi nhận được “offer” làm postdoc từ Harvard (Mỹ) , McGill (Gia-nă –Đại) và vài đại học khác nữa. Riêng về Bell Labs th́ ông Wagner cho biết là ông sẽ đổi sang làm ở Solar Energy Research Institute (SERI) thuộc Department of Energy của Mỹ ở Boulder, Colorado; nên ông không thể giúp ǵ được tôi lúc này cả. Khi đến Mỹ, tôi liên lạc với ông như ông đă đề nghị, ông hỏi tôi có muốn về làm việc ở SERI không? Lúc đó tôi không biết nhiều về SERI, nên tôi cũng không quan tâm cho lắm; vă lại (sau này tôi mới biết) là ngay cả nếu tôi có muốn làm ở SERI cũng không được v́ SERI là cơ quan của chính phủ và họ cần “thẻ xanh/green card”. Câu chuyện với ông Wagner và Bell Labs cũng tạm chấm dứt từ đó. Cuộc sống nghề nghiệp của tôi cũng “thăng trầm” theo ngày tháng, từ post-doc tôi chuyển sang làm cho Sharp-Rockwell, rồi ARCO Solar (“a big name” trong lănh vực pin mặt trời vào thời điểm đó), rồi sang làm 3M trong công tŕnh nghiên cứu về amorphous silicon thin film solar cells liên quan đến SERI. Bẵng đi một thời gian, vào năm 1987, tôi và nhà tôi đi dự “International Workshops in Solid State Materials & Devices” ở Turin, Italy. Tôi gặp lại ông Sigurd Wagner, lúc này dạy ở Princeton University. Mặc dù là lần đầu tiên gặp gỡ, nhưng chúng tôi nói chuyện như quen biết tự thuở nào; dĩ nhiên đề tài chính vẫn là amorphous silicon solar cells. Tôi cũng hỏi ông lư do ông rời Bell Labs; ông cho biết là điều kiện và môi trường nghiên cứu ở Bell Labs thay đổi nhiều lắm v́ lư do chính trị ở công ty (corporate politics) và đường hướng nghiên cứu. “Bell Labs không c̣n nghiên cứu về basic research nữa… May là anh không đến làm ở Bell Labs; chớ nếu anh đến th́ bây giờ chắc cũng phải t́m “jobs” ở nơi khác rồi!…”

Sau này, tôi có đi công tác và có thăm viếng Bell Labs. Ước mơ thăm viếng Bell Labs dù sao cũng đă trở thành hiện thực…Đúng ra tôi có “duyên” mà không “nghiệp” với Bell Labs!

1. Vài nét về Bell Labs

Bell Telephone Laboratories hay thường được biết với cái tên  Bell Labs được thành lập vào năm 1925 và là một nhánh nghiên cứu của hăng American Telephone & Telegraph (AT & T). Western Electric. Từ lúc mới thành lập cho đến đầu thập niên 80’s, Bell Labs được xem như “thánh địa (mecca)” của thế giới về những nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật. “Digital age” của chúng ta ngày hôm nay tùy thuộc rất nhiều vào những phát minh của Bell Labs: transistor (1947), information theory (1948) laser (1958), UNIX operating system (1969) và cell phone technology (1978). Nhiều phát minh khác cũng từ Bell Labs: glass fibers, facsimile (fax) machine, long-distance television transmission, stereo radio broadcasts, dây cáp đồng, vệ tinh, mạng truyền dẫn bằng số (digital communications), pin mặt trời, C language, calculator model K adder và charge coupled devices (CCD). Bảy giải Nobel và 12 Nobel laureates dựa vào công tŕnh nghiên cứu ở Bell Labs [Bảng 1]. GS Steven Chu (Stanford University), cựu bộ trưởng năng lượng ở nhiệm kỳ thứ nhất của Tổng Thống Obama cũng là một trong những Nobel laureates này. Ông này lúc trước làm việc ở Bell Labs ở Holmdel.

Bell Labs ở Murray Hill nổi tiếng nhất, tiếp theo thứ tự là Holmdel, Whippany và Piscataway. Bell Labs cũng có chi nhánh ở nhiều tiểu bang, đặc biệt là Illinois, Colorado và Massachusetts. “Intellectual freedom” và phương cách quản lư của Bell Labs cũng được xem như là mô h́nh trong sự phát triển của của Silicon Valley sau này: Nhiều doanh nghiệp được tài trợ và xây dựng business dựa vào những phát minh của Bell Labs.

Năm 1996, AT&T - hăng mẹ của Bell Labs- đổi tên thành Lucent Technologies; rồi trở thành nhỏ hơn với sự xuống dốc của công nghệ viễn thông vào đầu thế kỷ 21st. Sau đó, Lucent sáp nhập với hăng Acatel của Pháp vào năm 2006 trở thành Alcatel-Lucent. Bell Labs vẫn c̣n hoạt động nhưng với tấm cỡ nhỏ hơn lúc trước nhiều và một số chi nhánh bị đóng cửa. Gần đây, Bell Labs, Holmdel (472 acres) được thay đổi lại với hotels, shopping centers, trung tâm health & fitness, giáo dục và nơi hội họp của cộng đồng và chính thức hoạt động vào đầu năm 2014. “Than ôi thời oanh liệt “ của Bell Labs nay c̣n đâu?!

Hướng đi xuống dốc hay đúng hơn là sự sụp đổ của Bell Labs tùy thuộc vào nhiều lư do, nhưng theo thiển nghĩ của chúng tôi, lư do chính nhất là chính sách can thiệp của chính phủ Mỹ và lối quản lư “ngắn hạn” ham lợi nhuận “chỉ thấy cây mà không thấy rừng” của những nhà lănh đạo kỹ nghệ.

 

Bảng 1. Một số phát minh chính của Bell Labs [Tài liệu từ Hochheiser, IEEE]

 

          

H́nh 1. Bell Labs ở Holmdel (trái) và Murray Hill (phải) [Tài liệu từ AT&T]

2. Nghiên cứu liên quan đến silicon trước thế giới đại chiến thứ hai

Bell Labs nghiên cứu oxít ch́ và silicon “cat whisker” dùng để biến đổi tầng số cao xuống tầng số thấp để có thể nghe được với máy nghe. Bell Labs cũng nghiên cứu về máy chỉnh lưu oxít đồng (copper oxide rectifier) dùng trong hệ thống điện thoại. Nhiều người nghiên cứu về silicon đặc biệt là Jack Scaff, Henry Theurer và Russel Ohl cho những ứng dụng quân sự như ra-đa và truyền vô tuyến vào cuối thập niện 30’s và trong đại chiến thứ hai. Bột silic (silicon powder) mua lúc đầu từ Âu Châu và sau này mua từ hăng Dupont. Bột được nung nóng đến nhiệt độ rất cao trong ống thạch anh. Khi nhiệt độ trong ống thạch anh hạ xuống thấp, nhiều thỏi nhỏ với vết nứt được tạo thành. Khi kiểm tra các đặc tính điện, môt số thỏi có ḍng điện chỉnh lưu môt hướng trong khi đó một số thỏi khác có ḍng điện chỉnh lưu theo hướng ngược lại. Thêm vào đó, Russel Ohl c̣n t́m thấy hai đặc tính chỉnh lưu trên ở một cùng một thỏi. Ohl cũng nhận thấy là khi những thỏi này được đặt dưới ánh sáng, điện áp được tạo ra. Sau này Ohl và Scaff gọi một loại silic có ḍng điện chỉnh lưu theo hướng âm n-type và p-type cho những thỏi với ḍng điện chỉnh lưu dương. Hai người này cũng xác định rằng n-type và p-type được thành h́nh với một số tạp chất khác nhau. Mặc dù không thể khẳng định bằng phương pháp đo đạt, bằng cách ngửi mùi phosphor, Ohl và Scaff cho biết rằng n-type silicon tạo được với một số lượng nhỏ phosphorơ (phosphorous) để cung cấp hạt electrons; trong khi đó p-type silicon có thể đạt được với nhôm hay Bo (boron) để cho ra holes.

Trong chiến tranh, Ohl, Scaff và nhiều nhà kim thuộc ( metallurgists) khác dồn mọi năng lực vào việc nghiên cứu tinh thể silic cho các hoạt động chiến tranh như ra-đa ở trên không (airborne radar) bằng cách điều chỉnh những tín hiệu nhận được với đi-ốt. Sau này, bộ silic với độ tinh khiết cao có thể mua từ Dupont. Tạp chất có thể thêm vào silic nấu chảy một cách chính xác  trước khi hạ nhiệt độ xuống thấp. Khám phá này trở nên rất quan trọng trong những khám phá khác như transistor sau này.

2. Vấn đề với đèn chân không

Đèn chân không (vacuum tubes) có thể dùng theo dạng hai cực (diode) hay ba cực ( triode). Đèn chân không ba cực có hiệu ứng khuếch đại (amplification) nên được dùng để khuyếch đại tín hiệu trong hệ thống điện thoại [H́nh 2]. Thành phần chính của những loại đèn này là dây tóc nung nóng (heated filament). Những dây tóc này vận hành dưa theo nguyên lư nhiệt phát xạ (thermionic emission) đ̣i hỏi nhiều năng lượng; những dây tóc này v́ thế dễ cháy. Thêm vào đó với giá thành cao, tính dễ bể và độ kềnh càng của bóng đèn khiến một số nhà lănh đạo ở Bell Labs muốn thay thế đèn chân không bằng bộ khuếch đại điện tử (electronic amplifier).

H́nh 2: Cấu tạo của đen chân không ba cực

 

 3. Nghiên cứu liên quan đến transistor sau chiến tranh

Mặt phân giới giữa một chất dẫn và kim loại hay giữa hai chất bán dẫn hướng ḍng điện chạy theo một chiếu tương tự như bộ chỉnh lưu oxít đồng nói trên.. Như biểu hiện ở H́nh 2, bằng cách thêm vào một mạng lưới điện cực ( grid) vào đèn hai cực, hiện tượng khuếch đại có thể đạt được. Thế nên, nếu thêm một cái ǵ tương tự như lưới điện cực vào linh kiện bán dẫn đi-ốt, một bộ khuếch đại làm bằng chất bán dẫn (semiconductor amplifier) có thể hoàn thành. Marvin Kelly rất hiểu rơ về điểm này khi ông làm chủ nhiệm Ban nghiên cứu và khai phát đèn chân không từ 1928-1936, nên ông giao Schockley phụ trách nghiên cứu về đề tài này vào thập niên 30’s. Và Schockley và Brattain dùng o-xít đồng để làm bộ khuyếch đại nhằm thay thế đèn chân không; nhưng kết quả không mấy khả quan.

Sau đại chiến thứ hai, nhóm vật lư‎ chất rắn được thành lập ở Bell Labs -Murray Hill (Building 1) vào tháng 7 năm 1945 và Shockley được chỉ định làm co-supervisor của nhóm. Nhóm có tên là nhóm nghiên cứu chất rắn (solid state group) gồm nhiều thành viên với những chuyên môn khác nhau: vật lư, hóa học, kim thuộc và điện. Ban lănh đạo của Bell Labs và nhóm vật lư chất rắn quyết định nghiên cứu cơ bản về linh kiện bán dẫn này với silicon. Lúc đó Schockley là một trong những lư thuyết gia về chất rắn hàng đầu ở Mỹ. Nhưng ban lănh đạo của Bell Labs như Frank Jewett và Merlin Kelly (advisor của hai người này là GS Robert Millikan- Nobel laureate, University of Chicago) thấy cần thêm một lư thuyết gia cỡ Shockley nữa. V́ thế, Fisk và Shockley thuyết phục Merlin Kelly mướn John Bardeen khi ông này vừa xong công tác với Naval Ordnace Laboratory ở Maryland; nơi mà ông nghiên cứu về ḿn và tiềm thủy đỉnh trong thời gian chiến tranh. Lănh vực về vật lư chất rắn tương đối c̣n mới và nhỏ nên những người trong ngành thường biết nhau. Shockley gặp Bardeen giữa thập niên 30’s; lúc đó Bardeen làm postdoc ở Harvard, c̣n Schockley c̣n là graduate student ở MIT. Thời gian này Bardeen cũng gặp và quen với Fish (Bell Labs) cũng đang làm postdoc ở Harvard. C̣n Bardeen biết Walter Brattain qua em của Brattain, trong thời gian Bardeen và ông em này cùng làm PhD ở Princeton University.

Cá tính Shockley, Bardeen và Brattain rất khác nhau: Shockley rất công kích (aggressive) và bản ngă rất lớn; Brattain th́ có vẻ khiêm tốn, hơi bi quan, nói nhiều nhưng dễ gần gũi. Trong khi đó Bardeen th́ hoàn toàn khác hẳn. Bardeen th́ khiêm nhường, rất ít nói. Khi ông nói th́ nói nhỏ nên khó nghe. Nên lúc ông phát biểu y kiến, cả pḥng im phăng phắc. Thỉnh thoảng khoảng cách giữa hai câu có thể kéo dài cả phút khiến người chưa quen thấy không thoải mái (người viết có thể xác nhận điều này khi Bardeen làm cố vấn cho hăng 3M về superconductivity !). Bardeen thích làm việc với nhiều người nhất là trong một nhóm đa dạng gồm có nhà lư luận và nhà thực nghiệm. Cách giải quyết vấn đề của Shockley và Bardeen cũng khác nhau: Shockley giải quyết vấn đề nhanh và chuyển sang vấn đề khác trong khi đó Bardeen giải quyết vấn đề bằng cách đi từng chi tiết một; tháo gỡ vấn đề từng lớp một và nh́n từ nhiều góc độ khác nhau giống như lột hành, từng lớp một cho đến khi t́m được giải pháp thỏa đáng.

Giữa Bardeen và Brattain th́ khác nhau theo chiều hướng khác: Brattain hướng ngoại, c̣n Bardeen th́ hướng nội; Brattain rất giỏi về thực nghiệm trong khi đó Bardeen xuất sắc về lư thuyết. Ở Murray Hill, Brattain và Bardeen được ví như cái tay và cái đầu lúc nào cũng bổ sung cho nhau.

Sau này một số đồng nghiệp của ba ông ở Bell Labs cho rắng Bardeen là một thinker, Brattain một tinker và Shockley là môt visionary.

Công tác nghiên cứu được tiến triển và kích thích bởi sự trao đổi y kiến với nhiều người trong nhóm dưới quyền lănh đạo của Shockley. Kelly quyết định phương châm của nhóm lúc bấy giờ là mọi y kiến, suy nghĩ phải trao đổi nhau một cách tự do. Nhóm gặp nhau ít nhất một lần mỗi tuần; có khi nhóm gặp nhau mỗi ngày. Thảo luận thường kéo dài đến bàn ăn và đôi khi mọi người kéo nhau ra quán Snuffy’s ở Diamond Road, khoảng vài miles từ pḥng nghiên cứu; một phần là v́ ở đây có bán bia.

4. “Surface states” và sự ra đời của germanium transistor

Lúc đầu Shockley có giả thuyết gọi là “hiệu ứng trường (field effect)” . Với giả thuyết này, khi ḍng điện chạy qua bề mặt của một tấm bán dẫn, độ dẫn điện của tấm bán dẫn sẽ tăng, đưa đến hiện tượng khuếch đại. Nhưng thực tế, hiện tượng “khuếch đại” này không xảy ra. Một năm trôi qua, và mọi cố gắng thực hiện giả thuyết này đều thất bại. Vào tháng giêng 1946, nhóm nghiên cứu chất rắn mất cả hướng đi và bắt đầu “quờ quạng “ trong bóng tối.

Vào mùa xuân 1946, trong nổ lực cắt nghĩa sự thất bại của hiệu ứng trường của Shockley, John Bardeen nghiên cứu vấn đề này trong ṿng 5 tháng và sau đó bắt đầu phát biểu y kiến riêng của ḿnh. Ông đưa ra lư thuyết liên quan đến cái mà ông gọi “ surface states  (trạng thái bề mặt)” trên bề mặt của chất bán dẫn. Nói một cách đơn giản hơn, ông giả thuyết rằng khi sự nạp điện (charge) xảy ra trên một lớp bán dẫn, hạt electrons trên bề mặt của lớp này không di động tự do như lúc ở bên trong của lớp bán dẫn. Thay v́ thế, những “hạt electron trên bề mặt (surface electrons)” này bị bẫy trong bề mặt của lớp bán dẫn và trở thành bất động. Kết quả là “surface states” tạo một bức tường kết đông ( frozen barrier) giữa điện áp bên ngoài và điện áp bên trong của chất bán dẫn. Nhận xét sâu sắc này đă thay đổi hoàn toàn hướng nghiên cứu của nhóm nghiên cứu chất rắn. Nếu muốn tạo một bộ khuếch đại từ tấm silicon hay germanium và gia tăng ḍng điện, đại khái giống như trong đèn chân không, giờ mọi người đă có một hướng đi rơ ràng: trước tiên bức tường của surface states phải bị phá vỡ.. Mọi cố gắng của nhóm vào thời điểm này là làm thế nào tạo một bề mặt sạch để hạt electrons hay holes có thể di động tư do khi có ḍng điện chạy qua. Trở về pḥng thí nghiệm của Brattain- room 1E455-, dụng cụ, máy móc nằm khắp nơi với mùi thuốc lá, mùi cigar và mùi hàn ch́. Vào tháng 11, 1947, Brattain và Robert Gibney (chuyên môn về hóa học điện) muốn khảo sát xem thử chất điện phân (electrolyte), nếu chuẩn bị thích hợp- có thể giúp xuyên thủng qua bức tường “surface states” trên không? Lần thử nghiệm này thực hiện có hiệu quả. Và sự khám phá này bắt đầu những diễn tiến mới trong tháng mà nhóm thường gọi “tháng kỳ diệu/magic month”. Và Brattain có một ” cảm giác thần bí” rằng một cái ǵ lớn sắp được khám phá. Một tuần sau sự thành công của thí nghiệm với chất điện phân, một buổi sáng Bardeen đi vào Brattain’s lab và đề nghị một mô h́nh để chế tạo bộ khuếch đại với chất bán dẫn (solid state amplifier). Sau khi lắng nghe Bardeen tŕnh bày, Brattain nói với Bardeen” ḿnh đi đến pḥng thí nghiệm và thử mô h́nh này xem nó có hoạt động không?” Thí nghiệm Bardeen đề nghị như thế này: nhỏ một giọt của chất điện phân trên bề mặt của tấm bán dẫn rồi dùng một sợi dây kim loại đâm thủng qua chất điện môi, tạo điểm tiếp xúc (point contact) với bề mặt của tấm bán dẫn. Sau vài lần cho ḍng điện chạy qua hệ thống thiết lập này, hai người quan sát một “gain” nhỏ đạt được [H́nh 3 a]. Hai người nghĩ khám phá mới có triển vọng tốt! Đêm hôm đó (21 tháng 11, Friday), trên đường về nhà, Brattain nói với mọi người đi chung carpool với ông rằng ông đang tham dự trong một thí nghiệm quan trọng nhất trong đời của ông. Cuối tuần ấy, Brattain thay đổi ư cho rằng ông không nên đồn đăi về thí nghiệm này. Vào ngày thư hai, trên đường đến hăng ông bảo mọi người hứa với ông là họ sẽ giữ bí mật những điều ông nói hôm thứ sáu.

Riêng Bardeen, ông này cũng có linh cảm là một khám phá lớn sắp gần và ông tính toán kết quả thực nghiệm, ghi những điều ông khám phá và suy nghĩ trong quyển số ghi chép dùng trong pḥng thí nghiệm của ông.  Sau đó, Bardeen và Brattain cho Shockley biết về khám phá vừa rồi. Rồi hai ông cứ tiếp tục với công tác nghiên cứu của ḿnh. Vào giữa tháng 12, linh kiện bán dẫn của Brattain trông nhỏ và gọn gàng hơn: một tấm bán dẫn nhỏ (khoảng ¼ tầm cỡ của một đồng penny) nằm phẳng trên một nền kim loại. Làm theo đề nghị của Bardeen, Brattain dùng n-type germanium thay v́ dùng silicon. Một đường dây được nối kết với tấm nền. Rồi ông đâm thủng vào bề mặt của tấm germanium bằng một miếng nhỏ h́nh tam giác bằng plastic –có h́nh giống như đầu mũi tên nhỏ. Trên thực tế th́ miếng plastic này không tiếp xúc trực tiếp với tấm germanium v́ Brattain bao miếng plastic này với một miếng foil bắng vàng mỏng. (tạo thành một h́nh có dạng chữ V) Ông đă tạo ra hai đường dây dây khác nhau đâm thủng vào bề mặt của tấm germanium. Bardeen đề cập với Brattain rắng khoảng cách giữa điểm tiếp xúc này rất thiết yếu và phải giữ vào khoảng vài phần ngàn của một inch. Brattain nối đầu của mỗi điểm tiếp xúc nằm ở góc trên của đầu mũi tên với những đường dây riêng biệt; những dây này lại nối với bộ pin. Liên tục trong suốt hai tuần, Bardeen và Brattain làm thí nghiệm với những thiết lập khác nhau và với những tấm bán dẫn khác nhau (n-type và p-type germanium và silicon), với nhiều  khoảng cách khác biệt  giữa hai điểm tiếp xúc, với một số chất điện phân và những cách chuẩn bị khác nhau. Mỗi cấu trúc cho ra một khía cạnh riêng, một hướng đi khác nhau và một độ khuếch đại khác nhau. Rồi vào buổi sáng ngày 6 tháng 12, Brattain khám phá một hiệu quả đáng kể. Hiệu quả này xảy ra bởi sư di động nguyên tử (subatomic movement) của hạt electrons và holes do các tạp chất gây ra trong chất bán dẫn và kết quả là một ḍng điện phát sinh ra xuyên qua các điểm tiếp xúc bằng vàng. Độ khuếch đại là một dữ kiện quan trọng chứng tỏ “ a significant power gain” đă đạt được. Theo đề nghị của Bardeen, Brattain tạo hai đường dây tiếp xúc ở một khoảng cách 0.004 centimeters bằng cách quấn một miếng foil bằng vàng quanh cái đỉnh của một h́nh tam giác làm bằng polystyrene. Xong ông dùng dao cạo cắt xuyên qua miếng foil cho đến khi mạch điện mở ra.; sau đó ông lấp chỗ cắt với chất wax (dùng trong việc cách điện). Bằng cách dùng một cái ḷ xo, ông đẩy đỉnh của h́nh tam giác xuống tấm germanium. Bằng cách lay nhẹ và hai điểm tiếp xúc được thiết lập. Một điểm tiếp xúc là emitter và một điểm c̣n lại là collector [H́nh 3b]. Lúc này là vào buổi chiều thứ ba ngày 16 tháng 12 năm 1947.

Thuyết minh  thí nghiệm của Brattain và Bardeen được tổ chức vào buổi chiều một tuần sau đó vào ngày 23 tháng 12, 1947. Hiện diện hôm ấy gồm có: Brattain, Bardeen, Shockley, Pearson, Gibney, H.R. Mooore và Harvey Fletcher. Mervin Kelly không được mời. Lư do là muốn giữ tính độc lập nghiên cứu và truyền thống muốn ban lănh đạo cấp trung hay cao hơn tham gia vào các phát triển quan trọng trong pḥng nghiên cứu. Christmas eve 1947, Brattain vẽ trong quyển sổ tay thí nghiệm bộ khuếch đại điện tử và kết quả những thí nghiệm đạt được. Ông viết “ the power gain đạt được là 18 hay cao hơn “, “nhiều người làm chứng thiết lập bộ khuếch đại và nghe tiếng nói với cường độ âm thanh khác nhau do những power gain khác nhau”. Quyển sổ tay thí nghiệm của Brattain được làm chứng ‎ như sau: Read & understood by G.L. Pearson, Dec. 24,1947 and R. Moore Dec. 24, 1947.

         

H́nh 3. (a) Mô h́nh bipolar transistor của Bardeen and Brattain ghi chép vào 11 tháng 12, 1947

Mô h́nh này giống như MOSFET dùng hiện tại. Mô h́nh này được h́nh thành bằng cách thiết lập cẩn thận một lớp oxide và một đốm bằng vàng. Lớp oxide này bị rửa đi mất với chất điện phân trong trương hợp tấm nền là germanium; tuy nhiên nêu tấm nến là silicon, th́ lớp oxide sẽ không bị ảnh hưởng. (b) Bộ khuếch đại bán dẫn (semiconductor amplifier) đầu tiên Dec. 16, 1947 (Tài liệu từ AT&T Archives and History Center)

H́nh 4 (a) Bardeen (đứng bên trái), Schockley (ngồi ở giữa) và Brattain (đứng bên phải) khi Bardeen và Brattain tŕnh bày  với  Shockley linh kiện transistor do hai người đă chế tạo. H́nh 4(b) Point-contact transistor đầu tiên trên thế giới do Brattain và Bardeen chế tạo ra.

          

H́nh 4: (a) Bardeen và Brattain thực hiện the first semiconductor amplifier vào ngày 16 tháng 12 năm 1947.
(b) Một khoảng cách rất nhỏ được thiết lập giữa hai gold contacts trên một tấm bán dẫn germanium có độ thuần khiết cao.
Tín hiệu được khuếch đại 100 lần.
(Tài liệu từ AT&T Archives and History Center)

Một tháng sau phát minh point contact transistor, Mervin Kelly được cho biết về phát minh quan trọng này. Brattain và Bardeen cũng bắt đầu làm việc với luật sư của Bell Labs để xin bằng sáng chế v́ hai ông này sợ những nhà nghiên cứu khác ở Mỹ hay ở các nước khác có thể xin bằng sáng chế trước.

Linh kiện bán dẫn mới này giờ cần một cái tên. Một bản thông cáo đươc gửi ra cho 31 người nghiên cứu, ban lănh đạo để lấy y kiến về cái tên. Nhiều tên được đề nghị; trong số đó có: semiconductor triode, surface states triode, crystal triode, solid triode, iotatron và transistor. Triode có vẻ hợp lư v́ linh kiện bán dẫn mới này có ba điểm tiếp xúc chính: hai điểm tiếp xúc và tấm nến; tương tư như cực âm, cực dương và mạng lưới điện cực trong đèn chân không – cũng thường được gọi là triode [H́nh 2]. Nhưng những người trong Bell Labs thường thích đặt tên với chữ cuối “-istor” như varistors, thermistors dành  cho những thành phần trong mạch điện của hệ thống điện thọai của họ. Thế nên chữ transistor- tổng họp của hai chữ “transconductance” hay “ transfer” với “varistor” được chọn bởi đa số phiếu.. Kế quả tên chính thức của linh kiện bán dẫn mới là transistor.

Vào đầu tháng 5, 1948, the ”transistor” được xếp vào loại “BTL Confidential”. BTL nghĩa là Bell Telephone Laboratories. Tên mă (codename) của transistor là Surface States Phenomena. Vấn đề ở đây là giữ bí mật về transistor được bao lâu? Ban lănh đạo (Ralph Brown, Mervin Kelly) đồng ư là phải tiết lộ bí mật của linh kiện bán dẫn này cho cơ quan quân sự trước khi công bố cho đại chúng; nhưng đồng thời họ không muốn bị cơ quan quân sự/ chính phủ xếp linh kiện bán dẫn này theo loại “ bí mật quân sự”. Nhưng đồng thời họ cũng biết là khó có thể giữ transistor này riêng cho Bell Labs một khi tiết lộ cho đại chúng. Họ nghĩ chia xẻ kỹ thuật này với những hăng cạnh tranh cũng có thể là hướng đi tốt; và nếu Bell Labs bắt đầu trước vài tháng, Bell Labs có thể đi tiên phong và gặt hái được nhiều kiến thức trong việc cải thiện tính năng của transistor từ các hăng cạnh tranh. Những bước tiếp theo gồm có: (i) Bardeen và Brattain tiếp tục làm việc với luật sư về việc xin bằng sáng chế về transistor; (ii) Bardeen và Brattain gửi bài đăng trên tạp chí Physical Review và (iii) Ban quảng cáo sẽ bắt đầu công tác họp báo và những công tác liên quan khác.

5. Shockley và germanium junction transitor

Trở về trường họp của Shockley, ông ta có nhiều phản ứng phức tạp về phát minh lớn này v́ hơn cả năm ông ta hầu như không tham dự vào công tác nghiên cứu của Bardeen và Brattain. Theo Brattain th́ không lâu sau ngày biểu diễn  hoạt động của transistor cho nhiều người của Bell Labs’; vào ngày 23 tháng 2, Shockley gọi Bardeen và Brattain, riêng từ người một, đến văn pḥng của ông. Ông nói: “đôi khi người góp phần vào sự thành công này không được ai nhắc tên. Tôi có thể một ḿnh xin bằng sáng chế về “hiệu ứng trường ( field effect)” này. Lúc đó, Brattain có cảm tưởng là Shockley tư tin là với bằng sáng chế về hiệu ứng trường, ông có thể làm lu mờ giá trị của point contact transistor của Brattain và Bardeen. Khổ nỗi điều này khó có thể thực hiện được v́ những lư do sau: (i) nhiều người ở Bell Labs biết hiện tượng “surface states” của Bardeen và  Bardeen và Brattain đă làm việc chung với nhau để đưa đến point contact transistor với hiệu ứng khuếch đại. Sổ tay pḥng thí nghiệm của họ đă xác nhận điều này; (ii) kết quả của việc điều tra các tài liệu nghiên cứu cho biết rắng ư tưởng về hiệu ứng trường đă đươc tiết lộ trong bằng sáng chế của Julius Lillienfield của RCA gần hai chục năm trước (1926) mặc dù không có bằng chứng nào cho rằng linh kiện bán dẫn trong bằng phát minh của Lillienfield có hoạt động hay không?; hơn thế nữa không có bằng chứng nào chứng tỏ Lillienfield có sự hiểu biết trên lư thuyết về hoạt động của hạt electrons và holes khi ông xin bằng sáng chế này; (iii) Bell Labs chắc không muốn “liều” để bị luật sư giám khảo (patent examainer) của cơ quan cấp bằng sáng chế bát. (iv) Thêm vào đó, point contact transistor của Bardeen và Brattain là dựa vào bipolar design; holes trong trường họp này chớ không phải hiệu ứng trường đóng vai tṛ màng lưới điện cực ( grid).

Christmas 1947 là thời gian khó khăn nhất đối với Shockley. Ông rời New Jersey đi dự hội nghị; ông quyết định ở lại vùng Midwest trong thời gian giữa hai hội nghị. Đầu óc của ông bừng cháy với nhiều ư tưởng. Suốt hai ngày liên tiếp bắt đầu từ đêm giao thừa, một ḿnh trong khách sạn, ông viết và viết về junction transistors; tất cả dài khoảng 19 trang của sổ tay trong thí nghiệm. V́ không mang theo quyển sổ tay pḥng thí nghiệm với ông, nên ông gửi những trang ông viết về S.O. Morgan, co-supervisor của nhóm solid state để ông này làm nhân chứng. Trong ba tuần sau đó, trong lúc mọi người bận rộn và phấn khởi với sự thành công của transistor đầu tiên trên thế giới, Shockley làm việc ngày đêm một ḿnh thiết lập mô h́nh với những khái niệm về junction transistor. Linh kiện bán dẫn này gồm có một tấm nến n-type germanium và a microscopic slice of p-type germanium tiếp nối với nhau.

Nhưng những hành động này của Shockley không thể chấp nhận được với tiêu chuẩn làm việc của Bell Labs nói chung và của Mervin Kelly nói riêng, nhất là khi ông là supervisor của nhóm . Tiêu chuẩn này có thể tóm tắt như sau: (i) cán bộ nghiên cứu không làm việc một cách bí mật. Mọi ư tưởng phải chia xẻ với đồng nghiệp; (ii) không được từ chối giúp đỡ đồng nghiệp bất luận thứ bậc trong hăng của họ; và (iii) quan trọng hơn hết, nhiệm vụ của người cán bộ cấp trên là hướng dẫn chớ không can thiệp hay cạnh tranh với những người làm dưới quyền của ḿnh. “Đây là điều tuyệt kỵ mà Shockley đă vi phạm; và chuyện này không thể nào tha thứ được- This is the taboo that Schockley transgressed, and was never forgiven” như ông Phil Anderson (một Nobel laureate khác của Bell Labs sau này) đă nói.

 Shockley giữ bí mật thiết kế về junction transistor thêm một tháng nữa cho đến khi có một buổi họp của nhóm vật lư chất rắn giữa tháng 2, 1948. Trong buổi họp này, một cán bộ nghiên cứu tên John Shive đứng lên báo cáo với mọi người trong nhóm về kết quả thí nghiệm của ông: ông tŕnh bày một transistor hoạt động với hai điểm tiếp xúc nằm ở hai phía đối diện với tấm germanium. Sự kiện Shive tŕnh bày chứng tỏ rằng holes thực ra đă di chuyển xuyên qua tấm germanium (minority carrier injection); và điểm này giống như mô h́nh về junction transistor mà Shockley đang cố giữ bí mật. Đối diện với t́nh trạng “chẳng đặng đừng/tiến thoái lưỡng nan” này, nhận thấy lúc đó có Bardeen và Brattain trong số người tham dự; Shockley biết rằng nếu không phản ứng nhanh, trong vài phút Bardeen sẽ nhận thấy hay đă biết điểm then chốt của kết quả mà Shive tŕnh bày; và có thể Barseen sẽ đứng lên đề nghị mô h́nh về junction transistor với minority carrier injection . Nếu chuyện này xảy ra, th́ công việc ông làm trong thời gian mấy tháng qua sẽ trở thành uổng công.. V́ thực sự th́ junction transistor của Schockley cũng chỉ là triển khai từ bipolar transistor của Bardeen & Brattain [H́nh 3a].. Bất đắc dĩ, Shockley không thể giữ bí mật được nữa nên “nhảy chỏm dậy” và tŕnh bày nguyên lư và mô h́nh của junction transistor của ông, i.e, cấu trúc h́nh xăng đúy‎ch n-p-n và p-n-p. “ I felt I did not want to be left behind on this one” (tôi cảm thấy tôi không muốn bị bỏ rơi lần này) như ông đă thú nhận sau này.

Sau buổi họp, nhiều người trong nhóm điếng người v́ ngạc nhiên. Shockley đă phớt đi nguyên tắc “trao đổi tự do ư tưởng” giữa những người trong nhóm. Nhưng rồi mô h́nh mà Shockley thiết kế ra cũng chỉ là lư thuyết v́ một cấu trúc n-p-n như thế chưa ai thực hiện được. Và v́ thế chủ trương rằng junction transistor (trên lư thuyết) của Shockley có nhiều lợi điểm so với point contact transistor (đă thực hành) không mang nhiều ư nghĩa cho lắm vào thời điểm đó.

6. Từ pḥng nghiên cứu chuyển sang chế tạo

Giờ tới giai đoạn chuyển transistor  từ pḥng thí nghiệm sang khâu chế tạo. Tài chánh và thị trường sẽ không là vấn đề lớn đối với Bell Labs v́ AT&T có network rộng và hầu như nắm độc quyền về hệ thống điện thoại.Vần đề chính sẽ gặp phải là có thể hoặc transistor không hoạt động như mong muốn v́ lư do kỹ thuật (không đáng tin cậy) hay v́ lư do trong lúc chế tạo (chẳng hạn như tính nhất quán (consistency) và giá thành). Chế tạo vài trăm transistors trong pḥng thí nghiệm th́ tương đối dễ; tuy nhiên khi chế tạo hàng loạt vài trăm ngàn transistors  với độ tin cậy cao và tính đồng nhất tốt th́ lại là chuyện khác!. Kelly ra lệnh chuyển nhiệm vụ phát triển về transistors  từ nhóm Shockley sang một nhóm khác lo công tác chế tạo. Người được chọn để giao phó công tác này là Jack Morton- ông này đến làm việc ở Bell Labs vào giữa thập niên ‘30s. Quan điểm của Morton về cải tiến về sản phẩm (innovation) có thể tóm tắt như sau: (i) nếu bạn không thể chế tạo linh kiện mới với số lượng đáng kể, bạn chưa làm công tác cải tiến; và (ii) nếu bạn chưa t́m được thị trường cho linh kiện mới, bạn chưa làm công tác cải tiến. Ba điểm chính quan trọng trong việc sản xuất, theo Morton là: tính đáng tin cậy (reliability), khả năng tái cập (reproducibility) và khả năng thiết kế (designability). Morton đưa ra kế hoạch liên quan đế công tác chế tạo trong 30 ngày. Vào mùa hè 1949, với sự hợp tác với những chuyên gia về kim thuộc, nhóm của Morton chế tạo được 5 ngàn germanium transistors hoạt động tốt. Phần lớn những transistors này được gửi đến các cơ quan quân sự và một số gửi tặng các trường đại học. Bell Labs chỉ cung cấp transistors  mà không cắt nghĩa chi tiết những linh kiện bán dẫn này được chế tạo như thế nào. Khi Kelly viếng thăm nhiều nước ở Âu Châu, ông cũng mang theo nhiều chiếc hộp với hai transistors  mỗi hộp gọi là quà tặng từ Bell Labs. Trước khi thiết lập dây chuyền sản xuất ở nhà máy của Western Electric ở Pennsylvania, Kelly đ̣i hỏi nhóm phải cải thiện tính nhất quán (consistency) của germanium transistors. Vấn đề liên quan đến linh kiện bán dẫn lúc này là tấm germanium được cắt từ thỏi đa kết tinh germanium; gây ra nhiều chỗ sai hỏng tinh thể làm giảm tính năng của transistors. V́ thế, nhóm cần một tinh thể hoàn chỉnh để giải quyết vấn đề này mà nguyên liệu đơn kết kinh không tồn tại trong thiên nhiên. Vào gần cuối năm 1949, một chuyên gia về kim thuộc tên là Gordon Teal đề nghị một phương pháp chế tạo germanium có đơn tinh thể lớn (large single crystal). Theo ông này, bằng cách nhúng những hạt mầm germanium nhỏ trong dung dịch nóng chảy germanium; và bằng cách kéo lên từ từ dung dịch nóng chảy, ông có thể đạt được tinh thể đơn kết tinh hoàn chỉnh dùng trong việc chế tạo germanium transistors. Người “boss” của ông Teal có vẻ bi quan về đề nghị này; nên ông Teal bí mật theo đuổi việc thực hiện y tưởng của ḿnh  bằng cách dùng những dụng cụ ông mượn mỗi ngày từ 5 pm đến 3:00 am. Cuối cùng phương pháp này hoạt động tốt và Jack Morton quyết định hổ trợ đề án của Teal. Vào mùa hè 1951, nhóm của Morton có đủ khả năng chế tạo point contact transistors với sản lượng lớn.

7. Xung đột giữa Shockley với Bardeen và Brattain

Sau sự kiện tŕnh bày ở phần 5, Shockley không cho Bardeen và Brattain làm về junction transistor và ủy thác  hai người này với công tác mới. Ban lănh đạo cao cấp không can thiệp ǵ vào quyết định này. Shockley bây giờ là khuôn mặt public chính của Bell Labs’ research về tranzito. Nhưng rồi nhóm vật lư chất rắn dần dần cũng sụp đổ. Bardeen muốn tiếp tục nghiên cứu về transistors  kể cả junction transistor nhưng không được phép vă lại ông cũng bất măn nhiều về phương cách quản lư độc quyền của Shockley nên quyết định t́m a professorship ở University of Illinois at Urbana Champaign. Brattain cũng tỏ thái độ không vừa ḷng và có than phiền với Kelly về Shockley nhưng h́nh như không có kết quả ǵ. Nhưng sau đó, Kelly cho Brattain hoàn toàn tự do trong việc nghiên cứu ở Bell Labs. Brattain không c̣n nghiên cứu về transistors và không c̣n báo cáo trực tiếp với Shockley nữa. Đầu thập niên 50’s, the Labs quyết định nhượng bản quyền về kỹ thuật chế tạo transistor với giá $25.000 cho mỗi hăng thành viên. Hội nghi hàng năm cũng được tổ chức tại Murray Hill.; và lúc ấy Shockley là khuôn mặt chính của hăng và xuất bản quyển sách dày 500 trang – Electrons and Holes in Semiconductors. Đây cũng là quyển sách rất được nhiều nhà nghiên cứu và sinh viên dùng trong nhiều năm sau đó.

8. Mervin Kell’s management style và dự đoán của ông đă trở thành hiện thực
Kelly cố tạo một trung tâm nghiên cứu mới bao gồm những nét đặc thù nhất của môi trường làm việc ở đại học (tự do, nghiên cứu cơ bản) và kỹ nghệ (sản phẩm, nghiên cứu ứng dụng). Ở trung tâm này, người nghiên cứu có “intellectual freedom”, không phải lo viết đề án xin tiền nghiên cứu, dạy dỗ sinh viên và không phải đi dự committee meeting.
Với một người đă bỏ rất nhiều thời gian nghiên cứu về đèn chân không và uy tín chuyên môn của ḿnh dính liền với công việc nghiên cứu này; việc t́m cách thay thế đèn chân không với transistor của Kelly là một việc làm rất “can đảm”. Phương cách quản lư của Mervin Kelly đóng một vai tṛ không nhỏ trong sự thành công của Bell Labs về transistor. Ông triệu tập những ‘top minds” vào cùng nhóm vật lư chất rắn và để họ nghiên cứu t́m ṭi với rất ít can thiệp từ cấp trên. Ông chọn Shockley làm co-leader của nhóm mà không theo quan điểm thông thường về thứ bậc thâm niên. Mọi người trong nhóm phải theo “open policy” bằng cách trao đổi suy nghĩ với nhau và giúp đỡ nhau. Là một nhà nghiên cứu trước khi trở thành một người quản lư trong ban lănh đạo (ông là president thứ ba của Bell Lbas), Kelly chủ trương nghiên cứu dựa vào kế hoạch ngắn hạn và kế hoạch dài hạn. Mô h́nh quản lư của Kelly đă trợ thành đề tài học hỏi của nhiều ban lănh đạo trong kỹ nghệ sau này.

Mervin Kelly trong một bài nói chuyện với telephone executives vào năm 1951 đă nói: ”Không ai có thể đoán được ảnh hưởng của transistor. Trong thời gian tôi c̣n sống, nhưng chắc chắn trong khoảng 20 năm tới, linh kiện điện tử này sẽ biến đổi kỹ nghệ điện tử và cuộc sống hàng ngày ở mực độ sâu sắc hơn đèn chân không..” ( no one can predict the rate of its impact… In the time I may live, certainly in 20 years, it would transform the electronics industry and everyday life in a manner much more dramatic than the vacuum tube ). Vision này của Kelly một phần dựa vào kinh nghiệm ông có với đèn chân không với nhiều ngày đêm làm việc không ngừng ở Manhattan. Mặc dù đèn chân không có những khó khăn lúc đầu với nhưng rồi với nhiều nghiên cứu khai phát, tính năng và tuổi thọ tăng lên; giá thành cũng giảm xuống đến mức độ nhiều người không thể tưởng tượng được. Ông cũng nhấn mạnh rằng “Bell labs không phải là một ngôi nhà kỳ diệu/ Bell Labs is no house of magic”. Với sự làm việc cần cù và một kế hoạch rơ rệt, nhiều phát minh lớn có thể hoàn thành được.

9. High quality germanium crystal

Một nhà nghiện cứu về kim thuộc tên là Bill Pfann đă t́m ra giải pháp để tăng độ tinh khiết của germanium. Câu chuyện xảy ra khi trở về pḥng thí nghiệm sau khi đi ăn trưa xong, ông ngồi trên một chiếc ghế cạnh cửa sổ và để chân trên bàn làm một giấc ngủ trưa ngắn như thường lệ. Một lúc sau, ông chợt ngồi trực dậy với giải pháp ông đang t́m trong lúc nằm mơ. Pfann thấy một ṿng xoắn kim loại di động dọc theo vùng nóng chảy. Trên thực tế, một ṿng kim loại làm nóng ở nhiệt đô cao chạy dọc theo chiều dài của thỏi germanium. Khi ṿng kim loại di động, tạp chất theo ṿng xoắn kim loại đi ra khỏi tấm germanium. Phương pháp này được biết sau này là “zone refining”. Đây được xem là một trong những phát minh rất quan trọng trong ṿng 25 năm. Phương pháp này đă giúp những nhà nghiên cứu tại Bell Labs chế tạo germanium với độ tinh khiết tốt nhất trên thế giới lúc bấy giờ với độ tạp chất khoảng vào 1 phần 10 triệu của số atoms.

10. Morris Tanebaum và sự thay thế germanium với silicon

Có nhiều lư do Bell Labs muốn thay thế germanium với silicon v́ germanium hiếm hơn silicon v́ silicon từ cát tạo thành; thành ra nếu germanium transistor phát triển mạnh như một số người dư đoán, th́ sẽ có giới hạn về sản xuất trong tương lai. Thêm vào đó, germanium có những yếu điểm về tính năng như: germanium transistors dễ nóng, ít tin cậy hơn và trở thành vô dụng ở  nhiệt đô 150 F hay cao hơn. Vào năm 1952 một nhà nghiên cứu hóa học trẻ với PhD từ Princeton tên là Morris Tanenbaum đến làm việc ở Bell Labs. Theo truyền thống của Bell Labs, người quản lư của Tanenbaum khuyến khích ông đi thăm nhưng pḥng nghiên cứu để xem thử có đế tài nào ông ta thích làm. Sau cuộc thăm viếng, ông nghĩ transistor mới có vài tuổi và germanium có nhiều vấn đề nên ông muốn t́m những chất bán dẫn tốt hơn germanium. Tanenbaum thuật lại. Và ông ta bắt đầu đi t́m những chất khác như nhôm, gali (gallium), indi (indium) v..v.. để thay thế germanium. Với một số kinh nghiệm ông có về silicon với Brattain trước đai chiến thứ hai, Shockley đề nghị Tanenbaum nghiên cứu về silicon. Thực ra nhiều năm trước đó Bardeen, Brattain và Gerald Pearson t́m cách chế tạo silicon transistors nhưng kết quả không tốt nên họ không tiếp tục. V́ thế Shockley muồn thử lại. Shockley hỏi xem Tanenbaum có muốn làm việc chung với ông hay không? Tanenbaum có nghe nói nhiều về bản ngă rất mạnh và phương cách quản lư của Shockley; nhưng sau cùng đồng ‎ hợp tác với Shockley v́ ông nghĩ Shockley mặc dú nổi tiếng nhưng chuyên môn về vật ly , c̣n ông chuyên môn về hóa học; hai lănh vực khác nhau nên cũng khó cho Shockley bắt nạt được ông. Dupont lúc bấy giơ có bán “bột silic tinh khiết” với giá $430/pound. Bell Labs chỉ muốn một số rất ít tạp chất trong bột silic để chế tạo p-type, n-type và sau cùng silicon junction transistor. Sau vài tháng làm việc, với sự giúp tay của người  trợ tá là  ông  Ernie Buehler, Tanenbaum có thể “thành trưởng” tinh thể silic bằng cách thay đổi tốc độ khi “kéo” hạt mầm silic từ silic nóng chảy. Bằng phương pháp biến đổi này, Tanenbaum có thể thay phiên nhau tạo cho tạp chất n-type và p-type vào tinh thể silic. Tanenbaum đạt được một thỏi tinh thể silic dài khoảng 4.5 inches và rộng khoảng ¾ inch với nhiều n-p-n nằm chồng lên nhau. Bằng cách thái mỏng một miếng tinh thể silic có cấu trúc n-p-n, Tanenbaum và Buehler hoàn thành silicon transistor lần đầu tiên trên thế giới. Lúc đó là tháng giêng, 1954. Vài tháng sau đó, Gordon Teal (người nghĩ ra phương pháp thành trưởng tinh thể germanium ở Bell Labs mấy năm trước, giờ về làm việc với Texas Instruments) cũng có thể chế tạo silicon transistor của riêng ông. Nhưng cả hai sự kiện này cũng không có nhiều đặc biệt để ăn mừng v́ phương pháp chế tạo quá phức tạp, không thích họp cho việc sản xuất. Tanenbauem vẫn tiếp tục cải thiện phương pháp thành trưởng tinh thể silic. Một năm sau đó, với sự hợp tác với Cal Fuller, một chuyên gia hóa học khác, nghiên cứu của Tanenbaum bắt đầu gặt hái những kết quả khả quan hơn. Fuller lúc bấy giờ thuộc nhóm của Jack Morton và pḥng nghiên cứu của ông này đối diện với pḥng nghiên cứu của Tanenbaum nên hai người thường có cơ hội gặp và trao đổi y tưởng với nhau. Vào lúc Tanenbaum cộng tác với Fuller, Fuller đang nghiên cứu một kỹ thuật gọi khuếch tán (diffusion) cho phép sụ kiểm soát chính xác lượng tạp chất cho vào tinh thể silic. Với phương pháp khuếch tán này, những tấm tinh thể silic h́nh tṛn được đặt trong một cái ḷ nung nóng và được tiếp xúc với chất khí có chứa loại tạp chất cần dùng, chẳng hạn như nhôm. Ở nhiệt độ cao, nguyên tử của những tạp chất “bombard” bề mặt của tinh thể và từ từ khuếch tán vào bên trong. Nói một cách khác, tùy vào nhiệt độ và những điều kiện khác, một lớp rất mỏng p-type silicon có thể tạo trên tấm n-type silic, tiếp theo bằng một lớp rất mỏng (khoảng 1/1000 inch) n-type silicon. Giờ thử thách kế tiếp là làm thế nào để đặt điểm tiếp xúc với lớp mỏng p-type nằm ngay trong tấm n-type silic. Nhiều tuần trôi qua, Tanenbaum “vật lộn” với nhiều ư tưởng, cố gắng t́m ra giải pháp thích hợp nhưng vẫn không có kết quả nào khả quan cả. Một đêm, v́ vợ ông không có ở nhà, không có chuyện ǵ làm nên Tanenbaum đi vào pḥng nghiên cứu để làm thử một phương pháp khác. Ông ta làm nóng một dây nhôm; nguyên tử nhôm đi xuyên qua lóp n-type silic nằm trên rồi tiếp xúc với lớp p-type silic nằm ở giữa. Ông gọi phương pháp này là” phương pháp trực tiếp (direct approach)”. Ông ngạc nhiên khi thấy rằng tính năng của loại silicon transistor này tốt hơn những germnium transistors mà ông thấy trước đây. Hôm đó là khuya ngày 17 tháng 3, 1955. Nhận thấy ngay đây là phương pháp thuận lơi trong việc sản xuất transistor, khi về nhà, ông cứ trằn trọc măi ngủ không được chờ đến sáng mai đến pḥng nghiên cứu để tiếp tục thử nghiệm linh kiện mới này. Ngay lập tức, ban quản lư được gọi đến, kể cả Jim Fisk, trưởng bộ môn nghiên cứu của Bell Labs. Jack Morton, lúc đó đang ở Âu Châu, cũng hủy công tác c̣n lại để bay về khi nghe tin này. Kelly và Morton tán thành loại diffused silicon transitor của Tanenbaum, mở đầu tương lai mới cho silicon transitor.

Một điều quan trọng nữa là với sự thành công trong việc chế tạo tinh thể silic này, mô h́nh  về junction transistors của Shockley mấy năm trước giờ cũng có thể thực hiện được.

Vào năm 1956, 10 triệu transistors được sản xuất và tiền thu nhập lúc bấy giờ là $100 triệu đô-la.

11. Mervin Kelly đễ nghị Bardeen, Brattain và Shockley giải Nobel về vật lư

Sau khi Bardeen rời Bell Labs về dạy ở University of Illinois, Urbana Champain và Brattain rờ khỏi nhóm vật lư chất rắn, Shockley thường than phiền với Marvin Kelly rằng ông ta phải “deserve” một chức vi cao hơn. Kelly từ chối v́ Kelly nghĩ rằng với bàn tính của Shockley, ông này không thích hợp cho những địa vị quản lư cao hơn ở Bell Labs. Sau cùng, Shockley lên thẳng gặp giám đốc của AT&T (hăng mẹ của Bell Labs) để than phiền về diều này. Nhưng ông cũng chẳng gặt hái được ǵ. Shockley rất bất măn với Kelly và sau cùng rời Bell Labs đi về California để mở hăng Shockley Semiconductor (sẽ tŕnh bày nhiều hơn trong những số tới). Shockley chỉ có thể “chiêu mộ” được một người từ Bell Labs: đó là Morris Tanenbaum, người làm ra silicon transistor; c̣n những người khác từ các hăng khác như Gordon Moore, Robert Noyce, Jean Hoerni và Eugene Kleiner v́ họ không biết phương cách quản lư và bản ngă của Shockley. Những người này (the Traitorous Eight) đóng vài tṛ quan trọng trong việc h́nh thành và phát triển Silicon Valley sau này.

Ngay vào lúc Shockley sắp rời Bell Labs, Kelly với tư cách là một hội viên ngoại quốc của Hàn Lâm Viên Thụy Điễn (the Swedish Academy of Sciences) đề nghị giải Nobel về vật lư cho Bardeen, Brattain và Shockley. Và ngày 2 tháng 11, 1956, ba ông này chính thức được giải Nobel vật lư về việc phát minh transistor.

12. Vài nét về Brattain, Bardeen, Shockley và Kelly

Walter Houser Brattain

Born in Xiamen, China

Nobel Prize in physics, 1956

PhD in 1929, Physics, University of Minnesota;  thesis advisor: John Tate.

Fist job at the National Bureau of Standards. Stayed at Bells Labs until his retirement in 1967.

"Walter was a very good experimental physicist. He could put things together out of sealing wax and paper clips, if you wish, and make things work." -- John Pierce, his co-worker at Bell Labs, inventor of the communications satellite.

Walter Houser Brattain (1902-1987)

 

John Bardeen

Born in Madison, Wisconsin.

PhD in physics in 1936, Princeton University. Thesis advisor: Eugene Wigner

Nobel Prize in physics, 1956

Nobel Prize in physics, 1972

Two of his students who have received the Nobel Prize in physics are: Nick Holonyak and John Schrieffer.

First job at Gulf Laboratories. Other employers were Naval Ordnance Lab., University of Minnesota, Bell Laboratories and Univ. of Illinois Urbana Champaign.

(1908-1991)

A commemorative plaque remembering John Bardeen and the theory of superconductivity, at the University of Illinois at Urbana-Champaign (tài liệu từ UIUC)

But what made him different from so many fellow scientifi c geniuses in physics of the twentieth century—Einstein, Bohr, Dirac, Feynman, Landau, Pauli, and Oppenheimer? The answer lies not only in his two Nobel Prizes for Physics (in 1956 and 1972), but also his remarkable modesty, his deep interest in the application of science, and his genuine ability to collaborate easily with experimentalist and theorists alike.

William Bradford Shockley

Born in London, England

PhD. MIT, 1936.Thesis advisor: John Slater

Nobel Prize in physics, 1956.

(1910-1989)

Worked at Bell Laboratories, Shockley Semiconductor, Stanford University.

His way of management could generally be summed up as domineering, autocratic, erratic and hard-to-please style. Over the course of 20 years, eight of Shockley’s former employees (from Shockley Semiconductor) started 65 new enterprises and these companies formed the nucleus of what became Silicon Valley, which revolutionized the world of electronics.

Mervin Joe Kelly

Born in Princeton, Missouri.

PhD in Physics in 1918, University of Chicago. Thesis advisor: Robert Millikan (Nobel laureate)

President of Bells Labs in 1951. Retired from Bells Labs in 1959..Retired from Bells Labs in 1959.

 

(1894- 1971)

Credited with his strong, consistent and visionary leadership. At Bell Labs, the man most responsible for building a culture of creativity was Mervin Kelly. Between 1925 and 1959, Kelly was employed at Bell Labs, rising from researcher to chairman of the board. His vision was to establish an “institute of creative technology” that needed a “critical mass” of talented people to foster a “busy exchange of ideas.” 
Frederick R. Kappel, former board chairman of AT&T recalled that “Mervin was always and forever pushing the operating management, and the heads of AT&T as well, to get on with new things. His aggressiveness got him in a lot of hot arguments, but I always sat back and said, ‘Give it to them, Mervin, that’s what we need.’ Every place needs a fireball or sparkplug, and he was it.”

 

13. Kết luận

Linh kiện bán dẫn transistor mà Bardeen, Brattain và Shockley phát minh ra là nhân tố quan trọng trong việc phát triển công nghệ vi mạch hiện nay. Ba nhà khoa học này nhất là Bardeen (người đă lănh hai giải Nobel về vật lư) là thiên tài nhưng không theo định nghĩa thông thường của danh từ này. Sự thành công của họ về phát minh transistor c̣n tùy thuộc rất nhiều vào hoàn cảnh chung quanh và môi trường nghiên cứu. Sự thành công này là công tŕnh của nhiều người ở Bell Labs từ khoa học gia, kỷ sư, trợ tá đến những người trong ban quản lư như Kelly. Đường lối do Kelly đề nghị là chiêu mộ những người có tài làm việc chung với nhau với một đề tài đúng hương và đầy đủ tài trợ kinh tế;và sau đó để họ làm việc, trao đổi ư kiến và cộng tác với nhau với rất ít can thiệp từ ban quản lư là một trong những yếu  tố chính đưa đến sự thành công này.

 

Tài liệu tham khảo

Jon Gertner: The idea factory: Bell Labs and the great age of American Innovation, Penguin Books, 2012.

Lilian Hoddleson and Vicki Daitch: True genius. The life and science of John Bardeen.

Joseph Henry Press. 2002.