Transistor: Nhân tố của một cuộc cách mạng (1)

 

Trương Văn Tân

Small is beautiful.

Tóm tắt:

Transistor là một linh kiện điện tử xuất hiện khắp nơi trong sinh hoạt hằng ngày, ẩn tàng trong các dụng cụ điện tử hiện đại, hành xử như tế bào năo kiểm soát từ những hệ thống to lớn điều khiển phi thuyền bay vào vũ trụ, xác định mục tiêu cho tên lửa quân sự đến những chiếc máy tính, điện thoại di động và cái ḷ vi ba trong nhà bếp. Trong nửa thế kỷ qua transitor được thu nhỏ vài chục triệu lần từ centimét đến nanomét và được cài đặt hàng trăm triệu chiếc trong mạch tích hợp chỉ to vài cm2 mà ta gọi là chip. Transistor càng nhiều, càng thu nhỏ th́ dụng cụ điện tử càng gọn nhỏ, đa năng và tốc độ ứng đáp càng nhanh. Bài viết tập trung vào việc giải thích trên quan điểm vật liệu học quá tŕnh chế tạo thu nhỏ của transistor làm từ nguyên tố silicon, những khó khăn vướng mắc và cách giải quyết nhằm hiểu rơ tại sao một vật cực kỳ mong manh nhỏ hơn con vi khuẩn lại có thể thay đổi cuộc sống loài người làm khuynh đảo thế giới. Quá tŕnh thu nhỏ sẽ ngừng ở độ nhỏ tận cùng là phân tử. Nhưng các nhà khoa học và kỹ sư điện tử vẫn tiếp tục cuộc viễn chinh để thỏa măn sự khao khát tột độ của giới tiêu thụ: tốc độ ứng đáp.

1. Viễn tưởng thành hiện thực

Hăy tưởng tượng khi bạn gọi điện đến nhà trẻ, đứa con của bạn sẽ tươi cười xuất hiện trên màn h́nh của chiếc điện thoại di động. Cũng từ chiếc điện thoại di động, bạn dùng nó như một bật điện từ xa bật cái ḷ trong bếp để nướng con gà khi bạn vừa xong việc mua sắm ở siêu thị, lùi chiếc xe ra khỏi băi đậu và chuẩn bị về nhà. Vừa về đến nhà th́ con gà gần nướng xong. Hăy tưởng tượng bạn bật nút trong chiếc xe bạn đang lái sang bộ phận "tự động điều khiển" để bạn có chút tự do nh́n vào sổ tay xem lịch tŕnh hoạt động ngày mai. Hăy tưởng tượng bạn muốn xem một chuyện phim. Bạn đặt mua bộ phim qua mạng và chỉ vài giây sau bạn sẽ thấy nó xuất hiện trên màn h́nh tivi trong nhà. Đây không phải là hoạt cảnh của chuyện khoa học viễn tưởng mà là những kịch bản tương lai được một công ty điện tử Mỹ phác họa cho thấy nhiều ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày do những tiến bộ của các dụng cụ điện tử được trang bị bằng linh kiện làm từ chất bán dẫn mà transistor là một linh kiện chính. Ngay ở thời điểm hiện tại, những hoạt động của con người liên quan đến máy tính hay dụng cụ điện tử cũng là  một thứ "viễn tưởng" của xă hội 20 năm trước, thậm chí 10 năm trước. Chiếc bàn đánh máy khiêm tốn giờ đây chỉ hiện hữu trong viện bảo tàng, những bộ bách khoa từ điển quư giá đắt tiền mà các gia đ́nh Việt Nam hiếu học mua tặng cho con em trở nên thừa thăi đến mức thư viện địa phương từ chối không nhận. Chiếc máy  tính, điện thoại cầm tay, máy ảnh kỹ thuật số, màn h́nh tivi mỏng với độ phân giải cao và nhiều dụng cụ điện tử khác trở thành những vật không thể thiếu trong một cuộc sống văn minh. Đằng sau những dụng cụ này là một linh kiện điện tử quan trọng gọi là transistor. Thời đại tin học đă cách mạng lề lối làm việc và thống trị cách sống của loài người bao trùm từ một cá nhân, gia đ́nh, đoàn thể đến toàn thế giới cũng nhờ transistor. Với một cái bấm trên bàn phiếm vi tính trong một khoảnh khắc ta có thể t́m được thông tin ta muốn từ internet, những bản nhạc t́nh của một thời học tṛ xa xưa hay một bức ảnh của người thân, bè bạn vừa chụp vài giây trước đó gởi đến từ bên kia bờ đại dương. Ba mươi năm trước, con người đă từng mơ ước vừa nói chuyện qua điện thoại vừa nh́n thấy người đối diện. Những người trẻ hay trẻ trong con tim dập d́u qua lại ngưỡng cửa t́nh yêu muốn những bức thư t́nh lăng mạn của ḿnh bay tới bay lui trong chớp mắt. Việc đó giờ đây trở nên quá b́nh thường, ta thoải mái tha hồ nói cười, tha hồ nh́n nhau, tha hồ lăng mạn mà không hề mất một xu. Con người cùng chia sẻ các lượng thông tin khổng lồ, đa dạng, từ tệ nhất đến tốt nhất, trong một thời gian ngắn nhất. Con người đang nh́n, nghe, cảm bằng máy tính và các dụng cụ điện tử. Điều quan trọng hơn cả không ai có thể phủ nhận được là những sản phẩm điện tử càng ngày càng nhẹ, mỏng, gọn, đa năng, giảm giá. Chúng lan tràn khắp mọi ngơ ngách của hành tinh từ rừng sâu hoang dă, sa mạc nóng bức đến các siêu đô thị thế giới. Chúng xuyên thấu khắp mọi hoạt động con người trong giáo dục, giao thông, truyền thông, kinh thương, sản xuất, khoa học, y học, quốc pḥng và vui chơi. Thế giới trở nên nhỏ hẹp, gắn bó và thân thiết hơn trong thời đại công nghiệp điện tử.

Từ lúc mới ra đời hơn 50 năm trước, transistor to bằng đầu sợi giây giày và bây giờ nhỏ hơn con vi khuẩn. Làm sao một vật tí hon, cực kỳ mong manh này lại có thể tạo nên một cuộc cách mạng công nghiệp vĩ đại làm thay đổi tư duy và khuynh đảo xă hội loài người? Bài viết này nói về những tiến tŕnh thu nhỏ (miniaturization) của transistor và thành quả của nó trong việc phục vụ con người tạo nên thời đại "công nghiệp transistor" độc đáo trong lịch sử khoa học.

2. Ngược ḍng thời gian

Để t́m hiểu kỷ nguyên điện tử, ta trở lại những năm của thập niên 50 khi chiếc radio vẫn c̣n là một dụng cụ đắt tiền cho sự tiêu khiển của những gia đ́nh trung lưu ở trên toàn thế giới. Một linh kiện chính trong radio là ống chân không có ba điện cực gọi là triode dùng để khuếch đại những luồng sóng phát ra từ các đài phát thanh. Nhờ đó chúng ta có thể nghe được tiếng nói phát ra dưới dạng sóng từ một nơi xa hàng trăm cây số hay cách nhau cả một đại dương. Vào năm 1947 John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley làm việc tại Bell Labs (Mỹ) đă phát minh ra transistor đầu tiên. Ba ông nhanh chóng nối kết những transistor thay thế triode để tạo máy khuếch đại âm thanh (amplifier). Transistor chấm dứt thời đại thống trị của triode trong máy khuếch đại và các dụng cụ điện tử khác. So với ống chân không triode to lớn, hao tốn năng lượng do sự phát nhiệt không cần thiết, transistor là chất rắn, ít hao năng lượng và gọn nhỏ. Sự gọn nhỏ của transistor đầu tiên này đă được Brattain mô tả là không to hơn đầu giây giày mà ta có thể dễ dàng nắm một trăm chiếc trong ḷng bàn tay. Bardeen, Brattain và Shockley đoạt giải Nobel Vật lư (1956) cho công tŕnh phát minh transistor.

Phát minh ra transistor không mang đến những ứng dụng thực tiễn nếu không có đầu óc kinh doanh của Akio Morita, người sáng lập hăng Sony. Ông Morita sang Mỹ điều đ́nh mua quyền sản xuất transistor từ Bell Labs mà bộ ba Bardeen, Brattain và Shockley nghĩ cái phát minh độc đáo của ḿnh nhiều lắm chỉ có thể ứng dụng trong bộ nghe đặt trong tai của người khiếm thính để khuếch đại tiếng nói. Là một kỹ sư điện tử, Morita nhận thấy ứng dụng to lớn của transistor, một linh kiện chất rắn (solid-state component) gọn nhẹ, chế tạo từ chất bán dẫn có tiềm năng thay thế các ống chân không trong đài radio. Hệ quả là Sony sản xuất đại trà radio transistor gọn nhỏ, dùng ít điện, giá rẻ và khi bật lên sẽ nghe được ngay mà không cần đợi được "hâm nóng" như radio ống chân không. Những chiếc radio ống chân không cồng kềnh dùng điện nhà nay đă được thay thế bằng radio transistor bỏ túi dùng pin. Có lẽ đây là bước đầu tiên trên con đường "thu nhỏ" của các dụng cụ điện tử mà hiện giờ vẫn c̣n đang tiếp diễn. Sự ra đời của radio transistor đă nâng cao tên tuổi của Sony lên tầm quốc tế. Trong một lần công du tại Pháp, thủ tướng Nhật đương thời Eisaku Sato hănh diện tặng tổng thống Pháp Charles de Gaulle một chiếc radio transistor "made in Japan" nhưng lại bị người hùng Pháp Quốc c̣n mang nặng đầu óc thực dân, chưa thấu suốt sức mạnh của transistor mỉa mai gọi ông là "anh lái buôn transistor"! Tại Việt Nam vào những năm đầu của thập niên 60, chiếc radio Sony tràn ngập hang cùng ngơ hẻm, mang đến những niềm vui đơn giản cho người dân từ thành phố đến thôn quê. Sau radio là máy truyền h́nh transistor mà Sony đặt cái tên là "solid-state" tivi. 

Transistor không chỉ là một linh kiện khuếch đại ḍng điện mà c̣n là một công tắc (switch) đóng mở ḍng điện. Chính tác dụng đóng mở đơn giản này của transistor đă tạo ra một cuộc cách mạng điện tử vô tiền khoáng hậu trong lịch sử xă hội loài người. Trong chức năng này, transistor có tác dụng như một cái van của hệ thống ống dẫn nước. Nước ở đây là ḍng điện. Nước chảy trong ống nhờ áp suất cũng như ḍng điện lưu động nhờ điện áp. Khi ta mở van th́ nước chảy từ nguồn cung cấp đến người sử dụng. Khi ta đóng van, nước ngừng chảy. Cái van hành xử như cái cổng đóng mở. Thiết kế của transistor v́ vậy có ba điện cực: một đầu vào gọi là nguồn (source), một đầu ra gọi là máng (như máng nước, drain) và điện cực giữa là cổng (gate) hay là van để điều động ḍng điện (H́nh 1). Cổng đóng mở được điều động bằng điện áp. Từ lúc phát minh đến ngày nay, dù đă được thu nhỏ hàng triệu lần cấu trúc cơ bản này vẫn không thay đổi. Nếu ta xem trạng thái đóng là biểu hiện số 0 và trạng thái mở là số 1, th́ transistor là một linh kiện nhị phân. 

H́nh 1: Cấu trúc của một transistor (Source: nguồn, Drain: máng, Gate: cổng, Gate oxide: chất oxide cho cổng, Body: mặt nền). Vật liệu chính của cổng là lớp phủ kim loại (màu đen trong h́nh) và oxide trên silicon nên gọi là transistor MOS (metal – oxide – silicon).

Ngôn ngữ nhị phân có thể nói là một ngôn ngữ thống nhất cho mọi thông tin của loài người trên quả đất. Nó là ngôn ngữ tin học cực kỳ đơn giản v́ chỉ gồm hai số 1 và 0. Thật ra, mă nhị phân xuất hiện vài ngàn năm trước dưới dạng một gạch ngắn và một gạch dài để biểu hiện 64 quẻ trong Kinh Dịch và hơn một thế kỷ trước đă được dùng cho tín hiệu truyền thông Morse bằng dấu chấm và dấu gạch. Ở thời đại tin học, mă nhị phân đạt đến một đỉnh cao chói lọi v́ nó được sử dụng cho tất cả mọi thông tin từ phức tạp đến đơn giản; từ chữ viết, con số đến h́nh ảnh, màu sắc, âm thanh. Tất cả đều có thể được "số hóa" (digitization) bằng chuỗi số 1 và 0. Không có một ngôn ngữ nào đơn giản bằng mă nhị phân. Một bài tân cổ giao duyên "Chuyện t́nh Lan và Điệp" của soạn giả Viễn Châu, hay bản giao hưởng "Serenade" của Schubert hay một bài viết ở bất cứ ngôn ngữ nào cho đến một bức ảnh nhiều màu đều có thể mă hóa bằng những loạt chuỗi số 1 và 0 (Phụ lục a). Dụng cụ điện tử tinh vi nhất là chiếc máy tính đọc và giải mă những chuỗi số để đưa chúng trở về dạng nguyên thủy, có thể đó là những lời ca thổn thức, một ḍng nhạc du dương, một quyển tiểu thuyết nổi tiếng hay bức ảnh tái hiện "Mona Lisa" của Leonardo de Vinci nhiều màu sắc. Đầu năo của những dụng cụ điện tử đó là bộ nhớ và bộ vi xử lư (chip) chứa hàng trăm triệu transistor có tác dụng đóng/mở tương ứng với nhị phân 1/0, vừa đọc vừa xử lư theo ư muốn của con người.

Sự thu nhỏ của transistor đưa đến việc thiết kế các vi mạch tích hợp (integrated circuit, IC) để chế tạo các dụng cụ điện tử, với kỹ năng cao cấp nhất là việc vận hành của máy tính. Những phương tiện điện tử mà ta có ngày hôm nay như laptop, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, robot công nghệ hay những thiết bị hiện đại cho pḥng thí nghiệm, cơ xưởng, bịnh viện sẽ không hiện hữu nếu không có sự thu nhỏ cực kỳ của transistor đưa đến sự phát triển của siêu vi mạch. Độ lớn, độ mỏng và các chức năng đa dạng của các dụng cụ điện tử, quang điện tử tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor. Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor làm dụng cụ càng linh hoạt, thời gian để truyền tín hiệu đi từ một linh kiện này đến linh kiện càng ngắn, chức năng càng cao, ứng đáp càng nhanh chóng. Từ những ưu điểm này, sự đ̣i hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mănh liệt. Vật liệu làm nên transistor là nguyên tố bán dẫn silicon. Silicon là một nguyên tố dồi dào đứng thứ hai sau oxygen trên quả đất. Silicon hiện hữu trong dạng silica (hay silicon dioxide, SiO2) và silica lại là thành phần chính của cát. Thật không quá lời khi nói cách mạng công nghệ điện tử của thế kỷ 20 là một cuộc cách mạng dựa trên "cát"! Có phải chăng tạo hoá đă hết mực ưu ái loài người ban bố cho ta một hành tinh xanh và một nguồn silicon gần như vô tận.

Gordon Moore, một trong những nhà sáng lập của công ty Intel (Mỹ), trong một bài viết vào năm 1965 về sự thu nhỏ, đă tiên đoán bằng trực giác là cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được cài vào chip vi tính sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc tính của nguyên tố silicon. Chip,c̣n gọi là mạch tích hợp hay bộ vi xử lư (microprocessor), là bộ phận điều khiển trung tâm của máy vi tính và các dụng cụ điện tử, tương tự như bộ năo của con người. Người ta đặt cái tên "Định luật Moore" (Moore's law) cho sự tiên liệu này, dù nó không phải là một định luật dựa theo lư thuyết trong ư nghĩa thông thường. Chip vi tính đầu tiên được Intel tung ra thị trường năm 1971 chỉ có 2.300 transistor. Năm 1990, con số này vượt đến 1 triệu và mười năm sau (2000) 10 triệu trong một chip cùng kích thước. Ngày nay (2010), chip đang được thiết kế để vượt qua bức tường tâm lư chứa 1 tỉ transistor trong một khoảng không gian chỉ to vài cm2.

Theo ḍng thời gian, định luật Moore vô h́nh trung trở thành một mẫu mực được các kỹ sư ở Thung lũng Silicon nhắm tới và liên tục hơn 40 năm qua kể từ năm 1965 đă thoả măn yêu cầu của Moore và sẽ tiếp tục đúng trong ṿng 15 năm tới. Trong ṿng 40 năm, transistor đă thu nhỏ vài chục triệu lần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Giá một chiếc máy tính thật ra giảm rất nhiều so với tính năng càng lúc càng phong phú của nó. Nếu giá chiếc xe hơi có độ giảm giá giống như transistor th́ ngày hôm nay ta có thể mua một chiếc xe hơi với giá vài xu! Nhưng cuộc vui nào cũng phải có điểm kết thúc. Đặc tính thu nhỏ của silicon sẽ tiến đến một mức giới hạn và dừng lại ở một kích thước nhất định nào đó.  

3. Chế tạo mạch tích hợp: phương thức "từ trên xuống"

Máy tính đầu có tên là ENIAC được thiết kế và sử dụng trong Thế chiến thứ 2 chứa hơn 17.000 ống chân không, nặng gần 30 tấn, sử dụng điện lực tương đương với 1.500 bóng đèn 100 watt và chiếm một mặt bằng có diện tích 60 m2 (H́nh 2). Một ống chân không có tác dụng tương đương với một transistor. Nếu so sánh với cái laptop hiện đại dùng pin, nặng vài kilogram chỉ chiếm một diện tích vỏn vẹn 0,1 m2 tương đương với một cuốn tạp chí nhưng chứa hàng trăm triệu transistor với một chức năng xử lư vài chục ngàn lần to hơn, th́ đây là một cuộc cách mạng khoa học vang dội vượt ra ngoài sự tưởng tượng của con người cách đây nửa thế kỷ.

 

H́nh 2: Một phần của máy tính "đời xưa" dùng ống chân không.

Thay thế đèn diode bằng transistor là bước tiến xa cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng việc nối kết hàng ngàn, chục ngàn transistor và các phụ kiện vẫn là một trăn trở cần phải có một phương cách giải quyết hữu hiệu. Trong nhiều năm, transistor được chế tạo từng cái một và được nối kết với các linh kiện khác như điện trở, tụ điện, điện cảm (inductor) để tạo mạch điện cho dụng cụ điện tử tương đối đơn giản như radio, tivi, máy khuếch đại âm thanh (H́nh 3) . Nhu cầu chế tạo máy tính và những dụng cụ điện tử cao cấp đ̣i hỏi mạch điện phức tạp hơn với rất nhiều transistor và các linh kiện điện tử cần được cài đặt gần nhau trong một khoảng không gian nhỏ hẹp hơn. Trước hết transistor và các phụ kiện như điện trở, tụ điện phải được thu nhỏ và kế đến một phương thức mới tạo mạch tích hợp nối kết ít nhất hàng chục ngàn linh kiện cần phải được thực hiện trong khâu sản xuất. Phương pháp cổ điển với những sợi dây đồng lủng lẳng và hàng chục ngàn mối hàn ch́ làm bằng tay không thể giải quyết được đ̣i hỏi này. Ta chỉ cần một mối hàn hỏng là toàn bộ mạch điện trở nên vô hiệu. Những kỹ sư điện tử thừa biết hiệu năng của dụng cụ điện tử tăng nhanh với sự gia tăng số linh kiện, nhưng họ ngao ngán trước thủ thuật hàn ch́. Sự chán nản được Jack Morton, phó chủ tịch Bell Labs, bộc lộ qua cụm từ "sự tàn bạo của những con số" (tyranny of numbers) trong bài nói chuyện năm 1957. Con số mà công nghiệp điện tử phải đối đầu là con số hàng chục ngàn và như ta sẽ thấy ở phần sau hàng trăm triệu các linh kiện cần phải được nối kết để tạo ra sản phẩm.

 

H́nh 3: Những linh kiện điện tử cần phải hàn từng cái một trong mạch điện cổ điển.

Tưởng chừng như "lực bất ṭng tâm", nhưng một đột phá xảy ra. Vào năm 1958, Jack Kilby, một kỹ sư điện tử trẻ của công ty Texas Instrument, được giao cho nhiệm vụ "nhồi nhét" các linh kiện vào một mạch điện cực nhỏ. Ông đưa ra một ư tưởng là thay v́ làm từng transistor, có thể đồng thời làm nhiều transistor, điện trở, tụ điện, diode từ cùng một vật liệu bán dẫn germanium và nối kết thành mạch tích hợp. Chỉ trong một thời gian ngắn, vị kỹ sư trẻ này đă tạo ra một kỳ tích; ông thiết kế một vi mạch có kích thước 1,6 x 11 mm (H́nh 4) mà bây giờ người ta gọi là chip. Robert Noyce, người sáng lập hăng Intel, làm việc tại một công ty khác đưa ra một mẫu tương tự nhưng dùng chất bán dẫn silicon rẻ hơn và tiện lợi hơn. Kilby và Noyce làm việc độc lập với nhau và Kilby phát biểu phương thức này trước Noyce 6 tháng nhưng cả hai đều vui vẻ cùng nhận là người đồng phát minh. Để chứng tỏ sức mạnh của mạch tích hợp, Kilby phát minh ra chiếc máy tính bỏ túi (calculator). Texas Instruments nơi ông làm việc đă là công ty hàng đầu tung ra thị trường vào thập niên 60 từ những chiếc máy tính bỏ túi cho các phép tính đơn giản đến những chiếc máy có thể lập tŕnh cho các phép tính phức tạp hơn. Phương pháp Kilby-Noyce chế tạo mạch tích hợp là một cột trụ của nền công nghiệp điện tử và cũng là mốc nổi bật trong lịch sử khoa học.

          

                                                             (a)                                    (b)

H́nh 4: (a) Mạch tích hợp nối kết các linh kiện điện tử vào không gian rất nhỏ gọi là chip. (b) Kilby phát minh chip đầu tiên là một mạch điện chứa 1 transitor và các linh kiện khác trên chất bán dẫn germanium có kích thước 1,6 x 11 mm.

Sau hơn bốn thập niên Kilby mới đoạt giải Nobel Vật lư (năm 2000) cho phát minh mạch tích hợp nhưng tiếc thay Noyce đă qua đời trước ngày vinh quang này v́ giải Nobel không trao cho người quá cố.  Sự kiện trao giải Nobel cho việc phát minh transistor và mạch tích hợp đánh giá những thành quả lớn lao của hai phát minh này mang tới và thay đổi cuộc sống loài người trên hành tinh. Nhờ những con chip siêu vi mạch, công nghệ điện tử có doanh thu tăng vọt từ 29 tỉ đô la (1961) đến 1.500 tỉ ngày nay (2005). Không ai sống 100 năm trước có thể tưởng tượng được con cháu của họ ngày nay làm ra chip ở kích cỡ vài cm2 có thể nối kết hàng trăm triệu linh kiện điện tử nhỏ hơn vi khuẩn và đang tiến tới số tỉ, nhẹ nhàng giải quyết vấn nạn "sự tàn bạo của những con số" và tạo ra những ứng dụng đổi đời. Ứng dụng của chip không những trong máy tính mà c̣n lan tỏa đến dụng cụ điện tử cao cấp, đến công cụ b́nh thường bao trùm mọi lĩnh vực hoạt động của con người; từ việc khám phá không gian, quân sự, viễn thông, khoa học, giáo dục đến việc trị liệu y học, công nghệ ô tô, nhiếp ảnh.

Xuất phát từ phương pháp chế tạo chip của Kilby và Joyce, hơn nửa thế kỷ qua công nghệ chế tạo chip dùng phương pháp khắc li-tô (lithography) được phát triển càng lúc càng tinh vi và phức tạp. Từ "li-tô" được vay mượn từ lĩnh vực nghệ thuật tạo ảnh trên đá. Li-tô trong công nghiệp điện tử cũng là việc "tạo ảnh" các mạch tích hợp chứa transistor và đường dẫn điện trên mảng silicon bằng các phương pháp quang học, hóa học và nhiệt học. V́ các loại tia quang học được tận dụng triệt để cho việc "chạm khắc" trên mảng silicon (silicon wafer) nên c̣n gọi là li-tô quang (H́nh 5). Nhu cầu thu nhỏ của transistor đă thúc đẩy những bước tiến của kỹ thuật li-tô quang, làm nên cuộc cách mạng công nghệ chưa từng thấy trong lịch sử khoa học. Những mạch tích hợp cực nhỏ được thực hiện trên một mảng silicon (wafer) cực kỳ tinh khiết. Quá tŕnh chế tạo chip từ việc tinh chế nguyên liệu silicon, cắt silicon thành mảng, chạm khắc trên mảng silicon để tạo ra mạch tích hợp  được thực hiện dưới những điều kiện gần như tuyệt đối. Silicon cần phải có độ thuần khiết 99.999999999 %, 11 con số 9, nghĩa là cứ 1 tỉ nguyên tử silicon th́ mới có 1 nguyên tử tạp chất lẫn vào. Nói một cách tượng h́nh hơn, hăy tưởng tượng dân số một nước to lớn như Ấn Độ hay Trung Quốc vào khoảng 1 tỉ người th́ chỉ có duy nhất một người nước ngoài lọt vào! Silicon được tinh chế từ silica (SiO2) là một hợp chất chính trong cát. Cho dù silicon là một nguyên tố dồi dào thứ hai trên hành tinh này nhưng tinh luyện silicon nguyên chất đến mức độ gần như tuyệt đối quả thật tốn kém. Quá tŕnh làm chip từ khâu tinh luyện silicon đến thành phẩm hoàn toàn được thực hiện trong pḥng siêu sạch (cleanroom) trong đó bụi bậm được chế ngự tối đa. Khi kích cỡ của transistor, dây dẫn điện của mạch tích hợp tiến đến cấp nanomét, tạp chất và một vài hạt bụi cũng có thể gây trục trặc cho việc vận hành máy tính hay dụng cụ điện tử. Trong pḥng siêu sạch những hạt bụi có kích cỡ 0,1 µm hay lớn hơn chỉ có thể có nhiều nhất là 10 hạt trong 1 m3 không khí. Độ lớn 0,1 µm tương đương với một con vi khuẩn hay hạt khói thuốc lá. 

 

H́nh 5: Phương pháp li-tô quang (Nguồn: Wikipedia).

Mạch tích hợp có thể h́nh dung như một cái bánh kẹp nhiều lớp mà lớp cơ bản đầu tiên là mảng silicon nguyên chất. Tùy theo thiết kế những lớp kế tiếp có thể là lớp silicon dioxide, nguyên liệu cho cổng transistor, lớp kim loại đồng để làm đường dẫn điện giữa các transistor hay lớp phủ polymer (gọi là photoresist) cho việc "chạm khắc". Những lớp này được "chạm khắc" theo bảng vẽ thiết kế mạch được thực hiện bằng cách chiếu tia quang học qua mạng che (mask) và kính hội tụ (H́nh 5). Ảnh hội tụ là ảnh thu nhỏ vài ngàn lần những chi tiết của mạng che. Những vùng bị tia quang học chiếu sẽ bị phân hóa và được loại ra bằng cách rửa với hóa chất thích hợp. Quá tŕnh tạo lớp, chiếu tia quang học, tẩy rửa những phần dư thừa với hóa chất được lập lại nhiều lần cho đến khi các mạch tích hợp lập thể chứa hàng chục, trăm  triệu hay tỉ transistor được thành h́nh trên lớp nền silicon. Người ta cắt những mạch tích hợp này và bao bọc bằng một lớp phủ gốm sứ hay plastic cứng để hoàn thành chip cho các ứng dụng khác nhau (H́nh 6). 

 

H́nh 6: Phần ở giữa là chip vi tính (bộ vi xử lư) to vài cm2. Xung quanh chip là những điện cực bằng vàng để nối kết với những phần khác trong máy tính (Nguồn: Wikipedia).

Vài mươi năm trước khi transistor và các đường dây nối c̣n ở cấp micromét, người ta sử dụng ánh sáng trắng (bước sóng 300 - 700 nm) cho phương pháp li-tô quang. Khi nhu cầu thu nhỏ khe khắt hơn th́ tia tử ngoại với bước sóng nhỏ hơn 300 nm được sử dụng. Nhiễu xạ là một trong những bản chất của tia quang học. Nó gây ra sự nḥe mờ khi chi tiết của ảnh tiến đến kích cỡ của bước sóng; ta không thể dùng tia quang học để tạo ảnh hội tụ hay khắc những chi tiết nhỏ hơn bước sóng. V́ vậy, mỗi bước thu nhỏ đ̣i hỏi nhiều đầu tư tốn kém vào nghiên cứu để cải thiện của các điều kiện chế tác, thay đổi thiết bị và lựa chọn tia quang học thích hợp với bước sóng nhỏ hơn cho việc chạm khắc. Hiện tại tia cực tử ngoại (extreme ultraviolet) với bước sóng 13,5 nm được sử dụng để chế tạo mạchtích hợp chứa transistor vài mươi nanomét. Khi sự thu nhỏ vượt qua mốc 10 nm, tia X, tia ion hay tia electron với bước sóng vài nanomét trở nên cần thiết, dù đây là những tia năng lượng cao đ̣i hỏi những thiết bị với độ an toàn tuyệt đối.   

Ngày nay, phương pháp li-tô quang là một bộ phận quan trọng bậc nhất của nền công nghiệp điện tử và cũng là một bộ môn liên ngành trong nghiên cứu cơ bản hàn lâm. Có thể nói không có li-tô quang th́ không có sự thu nhỏ transistor, không có mạch tích hợp và công nghiệp điện tử hiện đại sẽ không hiện hữu. Phương pháp li-tô quang trong nửa thế kỷ qua là một quy tŕnh tiêu biểu của phương pháp "từ trên xuống". Nghĩa là theo ḍng thời gian vật được chế tạo càng lúc càng được thu nhỏ.

4. Một bước ngoặt quan trọng

Phát nhiệt từ các mạch tích hợp là một vấn đề quan trọng hàng đầu của các kỹ sư thiết kế. Thoạt nghe ta tưởng như chuyện đơn thuần. Nếu có phát nhiệt th́ ta giảm nhiệt. Nhưng, giảm nhiệt trong một siêu vi mạch không đơn giản và nếu việc giảm nhiệt được diễn ra thuận lợi th́ có lẽ chiếc máy tính ngày nay đă tiến rất xa và tinh vi hơn chiếc máy tính chúng ta đang sử dụng. Trong mạch tích hợp dày đặc những transistor cực nhỏ sự phát nhiệt đưa đến đến những bất lợi trong việc vận hành, giảm hiệu suất hoạt động của mạch và tiêu hao nhiều năng lượng. Các chuyên gia dự đoán nếu số transistor trong một chip và tốc độ xử lư gia tăng nhưng không có một biện pháp giảm nhiệt thỏa đáng th́ chip có thể dễ dàng tiêu hao 10 kW năng lượng và phát nhiệt lượng 1000 W/cm2, tương đương với 10 bóng đèn 100 W từ một khoảnh diện tích 1 cm2 [1]. Sự tăng nhiệt nếu không được kiềm chế cứ thế gia tăng (thermal runaway) dễ dàng đưa đến việc cháy máy. Để đối phó, họ dùng tất cả mọi phương tiện từ công nghệ "thấp" như chiếc quạt gió đến công nghệ cao như cải thiện vật liệu transistor và cấu trúc mạch tích hợp như được đề cập ở phần sau. Giải quyết vấn đề phát nhiệt cấp bách và quan trọng đến mức việc chế tạo những chiếc quạt gió, bộ phận tiêu nhiệt (heat sink) hay làm lạnh (refrigerator) bằng hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectric effect) để phát tán nhiệt từ chip của máy vi tính hoặc laptop trở thành một ngành quan trọng trong công nghiệp điện tử. Tuy nhiên, những công cụ này chỉ có thể làm nguội nhiều lắm một nguồn nhiệt 100 watt. V́ vậy, quạt gió và bộ tiêu nhiệt không phải là cách giải quyết triệt để.

Sự phát nhiệt phần lớn xảy ra tại cổng transistor v́ lớp cách điện SiO2 quá mỏng gây ra ṛ điện. Silicon dioxide (SiO2) là chất oxide truyền thống làm cổng transistor. Silicon là chất bán dẫn nhưng SiO2 là chất cách điện. Bằng sự thông minh của ḿnh con người tận dụng sự ưu đăi của thiên nhiên một cách hoàn hảo. Thiên nhiên đă cho ta silicon, bây giờ ta cần một lớp mỏng chất cách điện th́ tại sao lại không lợi dụng sự cách điện của SiO2. Ta cần lớp SiO2 cách điện để cách ly cổng ra ngoài ảnh hưởng của hai điện cực máng và nguồn. Đây là một yêu cầu tất yếu nên từ nhiều năm qua người ta nghiên cứu và hiểu rất rơ lư tính của lớp phủ cực mỏng SiO2 ở tận kích thước Angstrom (hay là 1/10 nanomét = 10-10 m) [2]. Việc tạo ra một lớp SiO2 trên mặt silicon có kích thước vài nanomét bằng cách oxid hóa silicon ở nhiệt độ cao là một khâu quan trọng trong phương pháp li-tô quang. Ta chỉ cần xử lư nhiệt silicon trong môi trường oxygen th́ một lớp SiO2 mịn màng sẽ mọc lên. Bằng phương pháp li-tô, ta tạo ra những mô dạng SiO2 thích hợp bằng cách dùng acid để tẩy đi những phần không cần thiết. Sự đóng góp của lớp SiO2 cũng quan trọng không kém silicon trong công nghiệp điện tử nhưng sự thu nhỏ transistor khiến cho lớp SiO2 phải làm mỏng hơn và đây là một trong những nguyên nhân ṛ điện gây nhiệt làm tiêu hao năng lượng.

Các nhà nghiên cứu nhắm vào việc cải thiện vật liệu để giải quyết tận gốc vấn đề phát nhiệt và ṛ điện.  Để chế ngự việc phát nhiệt, người ta phải thay thế SiO2 bằng một loại oxide khác có hằng số điện môi (kư hiệu k) cao, c̣n gọi là chất cách điện có độ k cao (high-k dielectric). Từ thập niên 90 của thế kỷ trước, các kỹ sư thiết kế transistor và các nhà vật liệu học đă nghiên cứu nhiều loại oxide có hằng số điện môi cao để thay thế SiO2 [2]. Cuối cùng, hai công ty Intel và IBM đă phá tung những trói buộc của SiO2 bằng cách chọn hafnium dioxide (HfO2) làm vật liệu cho cổng transistor, và vào năm 2007 lần đầu tiên Intel tung ra thị trường chip Penryn to 45 nm chứa 410 triệu transistor trên một diện tích vài cm2. Theo luồng chế biến này, transistor sẽ tiến đến 16 nm và chip sẽ vượt qua 1 tỉ chiếc trong cùng một diện tích vào năm 2018. Hằng số điện môi cao làm cho transistor duy tŕ được cường độ ḍng điện cần thiết đi qua transistor đồng thời ngăn chặn được sự ṛ điện và nhờ vậy giảm thiểu sự phát nhiệt của chip (Phụ lục b). SiO2 đă phục vụ con người gần nửa thế kỷ và chấm dứt vai tṛ lịch sử của ḿnh. HfO2 là một bước ngoặt quan trọng thay thế vai tṛ của SiO2 tiếp tục cuộc cách mạng thu nhỏ trong đó Penryn mở ra một kỷ nguyên mới của chip vi tính. Định luật Moore sẽ tiếp tục duy tŕ trong một thập niên kế tiếp nhờ vào HfO2.

5. Đâu là độ nhỏ cuối cùng?

Tính thực dụng của các dụng cụ điện tử nằm trong tiêu chí "nhỏ hơn, nhanh hơn, rẻ hơn". Hằng năm, các hiệp hội công nghệ điện tử của Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan và châu Âu cùng chung đề xuất báo cáo mang tên là "International Technology Roadmap for Semiconductors" (ITRS, Bản đồ hướng đi của công nghệ quốc tế về chất bán dẫn) nói về những thành quả công nghệ, thương phẩm, những thách thức và dự đoán hướng đi tương lai của chất bán dẫn. Báo cáo này phần lớn tập trung vào sự cải biến và lộ tŕnh tương lai của chip vi tính v́ máy tính là một dụng cụ có sự đ̣i hỏi cao nhất về chức năng và tốc độ xử lư dữ liệu. Mỗi bước thu nhỏ của transistor đều ảnh hưởng sâu sắc đến những dụng cụ điện tử dẫn đến việc sản xuất phiên bản của đời kế tiếp. Đằng sau sự phát triển này là những khó khăn nằm trong dự đoán cũng như các thách thức xuất hiện ngoài dự đoán mà ngành công nghệ điện tử đă phải đối đầu hơn 40 năm qua.

Vào những năm 70 của thế kỷ trước, các chuyên gia cho rằng transitor không thể chế tạo nhỏ hơn 1 μm (= 1.000 nm) do sự hạn chế của phương thức chế tạo. Trong chiếc máy tính gia dụng đầu tiên được bán trên thị trường năm 1971 là chip Intel 4004 chứa 2.300 transistor và mỗi transistor có độ lớn 10 µm. Phương thức li-tô được cải thiện và giới hạn độ nhỏ được đẩy lùi xuống 0,5 μm (= 500 nm) ở thập niên 80. Kinh nghiệm cũng cho thấy transistor không thể nhỏ hơn 250 nm v́ sự ṛ điện sẽ xảy ra trong transistor. Tuy nhiên, phương pháp li-tô chế tạo transistor lại được phát triển và giới hạn độ nhỏ trong những năm đầu của thập niên 90 được đẩy xuống đến mức 100 nm [1]. Những rào cản kỹ thuật lần lượt bị chinh phục bởi sự kiên tŕ và thông minh của các kỹ sư và nhà khoa học. Lư thuyết kinh điển phải cải biên và các chuyên gia tiếp tục hoàn thiện các phương thức chế tạo cũng như t́m kiếm vật liệu mới nhằm rút nhỏ hơn nữa kích cỡ của transistor. 

Theo sự dự đoán của ITRS dựa trên các công tŕnh nghiên cứu khoa học và tiến bộ trong quy tŕnh sản xuất, kích cỡ của transistor sẽ là 7 nm vào năm 2018. Kích cỡ này theo đúng định luật Moore. Như thế, độ nhỏ nào sẽ là tận cùng của transistor? Phân tử là phần nhỏ nhất của vật chất, v́ vậy độ nhỏ tận cùng sẽ là kích cỡ của một phân tử. Nói khác hơn phân tử sẽ được sử dụng như cổng transistor có thể cho đóng hoặc mở ḍng điện tùy vào điện áp. Độ lớn trung b́nh của một nguyên tử là 0,1 nm (hay là 1 Angstrom). Một phân tử là cấu tạo của ít nhất 2 nguyên tử, như vậy trên lư thuyết người ta có thể thiết kế một transistor có độ nhỏ tận cùng là 0,2 nm. Nếu dùng tinh thể silicon th́ độ tận cùng sẽ là 0,3 nm. Năm 2003, các nhà khoa học của công ty NEC (Nhật Bản) đă đạt đến transistor 5 nm lớn hơn độ tận cùng 17 lần [1,3] .

Hơn nửa thế kỷ qua, transistor được thu nhỏ hàng chục triệu lần từ centimet đến nanomét, liệu các nhà khoa học có thể tiếp tục thu nhỏ thêm 17 lần tiến đến kích cỡ một phân tử? Việc thu nhỏ transistor đă diễn ra khá thuận lợi v́ chúng ta vẫn c̣n nằm trong phạm vi các quy luật của thế giới vĩ mô mà các kỹ sư điện tử đă tận dụng chúng một cách hiệu quả trong việc triển khai phương thức sản xuất. Thế giới vi mô bị chi phối bởi cơ học lượng tử với những quy luật phản trực giác mà ta không thấy ở thế giới vĩ mô đời thường. Chẳng hạn, tính chất nhị nguyên vừa sóng vừa hạt của vật chất, hay nguyên lư bất định của Heisenberg sẽ là những điều kiện quyết định cho việc thiết kế một transistor dần dần tiến về kích cỡ một phân tử. Sự di chuyển của ḍng điện, hay nói khác hơn ḍng chảy của electron trong một mạch điện là một hiện tượng vĩ mô giống như ḍng nước như đă so sánh ở trên. Electron trong ư nghĩa này là hạt. Như ḍng nước, khi có một bức tường chắn ngang ḍng electron sẽ bị ngăn lại. Cái cổng transistor là một bức tường đóng mở đối vớ́ ḍng electron. Tuy nhiên, khi cái cổng trở nên quá nhỏ hẹp electron không c̣n hành xử như hạt mà sẽ là sóng thoải mái đi xuyên qua cổng như một bóng ma. Nhà vật lư Pháp de Broglie cho biết đối với một vật chất cực nhỏ như electron, khi bị đặt trong một không gian cực nhỏ th́ đặc tính sóng sẽ hiện rơ và là tác nhân chi phối trong mọi t́nh huống. Như vậy, cổng đóng nhưng electron vẫn đi qua dưới dạng sóng, ḍng điện vẫn ngang nhiên chảy, ta bị ṛ điện bởi tác động lượng tử, như một ṿi nước bị rỉ, tác dụng đóng mở không c̣n hiệu nghiệm, transistor không c̣n là transistor. Bước sóng của một electron di chuyển giữa điện áp 1 -2 V trong một transistor là 1 nm (Phụ lục c). V́ vậy kích cỡ của transistor phải lớn hơn 1 nm, nếu nhỏ hơn electron sẽ hành xử như sóng đi xuyên qua cổng dù cổng đóng hay mở.

Trong cuộc chinh phục đỉnh cao "thu nhỏ" của công nghiệp điện tử, các nhà nghiên cứu t́m thấy vận may với chất bán dẫn silicon vô cùng hào phóng. Họ cũng đă và đang tạo ra những bước đột phá kết hợp kiến thức đa ngành để hoàn thiện phương pháp khắc li-tô. Nhưng ta dễ dàng quên đi chức năng của yếu tố thứ ba cũng rất quan trọng; đó là độ nhỏ của electron. Electron chạy dọc theo những đường dẫn điện trong chip như những chiếc xe ngược xuôi trên đường phố của một thành phố lớn với nhiều ngơ ngách phức tạp. Electron là một nhân tố kiểm soát các chức năng của linh kiện điện tử, sự vận hành của bộ nhớ và bộ xử lư của máy tính. Sự thu nhỏ được thực hiện suôn sẻ là nhờ vào kích thước cực kỳ nhỏ của electron. Đường kính của electron là 5,6 x 10-15 m, một phần triệu tỉ lần của mét. Giả dụ ta có thể thu nhỏ transistor, đường dây tải đến 1 nm; kích cỡ này vẫn c̣n to hơn electron 1 triệu lần. Nhờ vậy, ta có thể thiết kế mọi linh kiện, đường dây tải đến cấp 1 nanomét, tức là tương đương với độ lớn của 10 nguyên tử, nhưng vẫn c̣n chỗ rộng răi cho electron dập d́u qua lại.

Tuy nhiên, như đă đề cập ở trên ḍng electron đó khi di chuyển không xuôi chèo mát mái mà thường va chạm vào nguyên tử của môi trường xung quanh. Trong sợi dây đồng, electron chạm vào nguyên tử đồng và trong transistor nó cũng chạm vào mạng lưới của tinh thể silicon. Sự va chạm này sinh nhiệt. Và khi khoảng không gian di động càng bị thu hẹp theo sự thu nhỏ th́ va chạm càng nhiều sự phát nhiệt càng to và cuối cùng mạch điện sẽ bị phá vỡ. Chiếc quạt gió, bộ phận làm lạnh hay vật liệu có hằng số điện môi cao chỉ mang tới thị trường điện tử một biện pháp trị liệu nhất thời. Trên con đường cải thiện hiệu năng của chip, đây chỉ là những trạm dừng chân và chưa phải là tột đỉnh của vinh quang. Như vậy, nếu ta phủi tay vứt bỏ những sợi dây đồng, transistor, và cả electron th́ sự phát nhiệt không c̣n là nỗi lo âu và ta có thể thiết kế một máy tính với tốc độ ứng đáp và xử lư siêu việt. Có thật sự khả thi không? Ta hăy nh́n vào tương lai...

6. …Và tương lai

Chiếc transistor mà hơn nửa thế kỷ trước kia đă được Brattain mô tả là không to hơn đầu giây giày và ta có thể dễ dàng nắm hốt vài trăm chiếc trong ḷng bàn tay giờ đây đă biến mất trước con mắt trần tục của ta v́ quá nhỏ. Và nếu ta có thể nắm được chúng trong ḷng bàn tay th́ cũng có thể vài tỉ chiếc. Cũng như Thomas Edison phát minh ra bóng đèn điện, có lẽ không quá lời khi nói Bardeen – Brattain – Shockley và Kilby – Noyce là những nhân vật kiệt xuất rất hiếm hoi trong lịch sử khoa học làm nên một cuộc cách mạng công nghệ để lại một dấu ấn sâu sắc có ảnh hưởng lâu dài đến bộ mặt của xă hội loài người. Nhưng đây là lịch sử và xă hội hôm nay có những đ̣i hỏi cao hơn.

"Tốc độ xử lư" là một đ̣i hỏi liên tục như con hổ háo ăn của giới tiêu thụ và cũng là miếng mồi ngon của người sản xuất. Chip hiện nay có tốc độ xử lư hằng trăm triệu hay hằng tỉ mệnh lệnh (instruction) trong một giây. Nó liên quan đến tốc độ chuyển hoán nhị phân giữa hai số 1 và 0 của transistor, hay nói một cách cơ bản hơn là vận tốc di chuyển của electron trong đường dây dẫn và transistor. Transistor silicon đă đụng vào một giới hạn vật lư và vận tốc electron trong kim loại chỉ có thể đạt đến 1.400 km/s (Phụ lục d). Cực nhanh nhưng người ta muốn nhanh hơn nữa. Có phải đă đến lúc cặp bài trùng "silicon và electron" hoàn thành nhiệm vụ của ḿnh và phải rũ áo từ quan? Dù đứng trước những đ̣i hỏi về tốc độ và thu nhỏ, nhiều chuyên gia dự đoán rằng cặp "silicon và electron" vẫn thống trị các máy điện tử trong vài thập niên tới. Nh́n vào bảng phân loại tuần hoàn có lẽ không có nguyên tố nào hào phóng hơn silicon trước nhu cầu của con người và đổi lại nó cũng được loài người dành cho sự ưu ái hơn nửa thế kỷ qua. Phải nói silicon là một vật liệu nano chân chính và phương pháp li-tô chế tạo mạch tích hợp là một công nghệ nano tiêu biểu. Tri thức về transistor silicon và li-tô trở thành kho tàng vô giá cho công nghiệp điện tử mà chúng ta không thể nào một sớm một chiều phũ phàng vứt nó ra đi!

Tham vọng về "tốc độ" của con người quả là vô hạn nhưng nó phải dừng ở một con số tuyệt đối. Con số này chẳng qua là vận tốc ánh sáng (300.000 km/s). Vận tốc electron trong transistor (1.400 km/s) chỉ bằng 0,5 % vận tốc ánh sáng. Như thế, tại sao ta không thay thế electron bằng photon  (quang tử) cho việc xử lư dữ liệu trong máy tính? Vấn đề thực sự không đơn giản. Photon là phương tiện hữu hiệu để chuyển tải thông tin như ta thấy những hệ thống cáp quang dài hàng chục ngàn cây số xuyên qua ḷng đại dương phục vụ ngành viễn thông, trong khi electron là phương tiện điều khiển và xử lư thông tin của bộ nhớ và bộ vi xử lư. Trong ư nghĩa này photon là nô lệ và electron là vua. Có một ngày nào nô lệ thành vua và vua hiện tại sẽ ch́m vào lịch sử? Ngày đó sẽ không c̣n transistor và máy tính điện tử hiện tại sẽ trở nên máy tính quang tử học. Từ đây đến tương lai quang tử học đầy thách thức là một thời kỳ chuyển tiếp đang xảy ra trước mắt với những nghiên cứu về "quang tử học silicon" (silicon photonics) nhiều sôi động và thú vị [4-5]. Các nhà khoa học đang tận dụng phương pháp li-tô để chế tạo chip quang học mà vật liệu chính vẫn là người hùng silicon hào phóng và dễ tính. Ta sẽ thấy bộ ba "silicon - electron - photon" xuất hiện trong máy tính tương lai mà chức năng của photon sẽ là sứ giả truyền dữ liệu trong các vi mạch, những đường dây đồng dẫn điện rồi đây sẽ được thay thế bằng sợi quang đẩy lùi vào bóng tối phần nào những ray rứt gây ra bởi electron và sự phát nhiệt [6].

Trong một nỗ lực khác, người ta đang nghiên cứu các loại vật liệu hữu cơ bán dẫn như polymer dẫn điện, ống than nano và graphene với một ước mơ là chúng có thể thay thế silicon trong transistor có một độ nhỏ vượt qua mức giới hạn của silicon. Và xa xa trên đường chân trời nghiên cứu khoa học, vi tính lượng tử (quantum computing) đang le lói như những tia nắng b́nh minh xuyên thủng màn đêm mở đầu một ngày mới dựa trên những nguyên tắc kỳ bí gần như ma quái của cơ học lượng tử. Tất cả mọi nỗ lực nghiên cứu này đều nhắm đến việc giải quyết cái khát vọng tột cùng của con người: tốc độ.

 

Phụ lục:

a. Ngôn ngữ nhị phân

Trong ngôn ngữ nhị phân 1/0, một số 0 hay số 1 là một bit. Số thập phân từ 0 đến 9 có thể được biểu hiện 4 bit cho mỗi số như sau:

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

Mẫu tự La-tinh, mỗi chữ 8 bit:

a

b

c

d

e

f

01100001

01100010

01100011

01100100

01100101

01100110

Chữ Hán, thí dụ như chữ (Văn) và (Tự) có dạng nhị phân (16 bit cho mỗi chữ) là:

= 0110010110000111, = 0101101101010111

Như vậy, một quyển sách nhỏ có 200.000 mẫu tự La-tinh th́ khoảng 1,6 triệu bit (1,6 megabit) hay 200.000 chữ Hán là 3,2 triệu bit (3,2 megabit). Một bức ảnh kỷ thuật số tùy độ phân giải có thể từ vài trăm ngàn đến vài triệu bit.

b. Hằng số điện môi của lớp oxide

Ta có thể xem lớp silicon oxide của transistor như một tụ điện có điện dung C là,

C= kεoA/t                                                                    (1)

k là hằng số điện môi, εo là độ điện thẩm của chân không (8,85 x 10-12 F/m), A là diện tích của lớp cách điện, t là độ dày.

Như phương tŕnh (1) biểu hiện, C gia tăng khi hằng số điện môi k tăng và khi độ dày t giảm. C cần phải duy tŕ ở một độ tối thiểu để transistor có thể hoạt động suôn sẻ. Mật độ tụ điện C/A cần thiết cho transistor là:  34,5  x 10-3 F/m2. Từ phương tŕnh (1), t sẽ là,

t = kεo(A/C)                                                                (2)

Khi C/A = 34,5 x 10-3 F/m2k của silicon là 3,9, độ dày t là 1 nm. Độ dày này quá mỏng và sự ṛ điện xảy ra. Khi dùng HfO2 với k =16, độ dày t = 4 nm. Như vậy, t gia tăng 4 lần và sự ṛ điện giảm đi 100 lần.

c. Bước sóng của electron

Để một electron di chuyển trong điện áp 1 V, ta cần năng lượng E là,

E = 1 eV = 1,602 x 10-19 J                                            (3)

Vận tốc v được tính từ

E = 1/2 (mv2)                                                             (4)

Khối lượng m của electron là 9,1 x 10-28 g. Như vậy, v= 5,93 x 105 m/s.

Từ công thức de Broglie, bước sóng λ của electron là

λ= h/mv = 1,2 x 10-9 m                                               (5)

h là hằng số Planck: 6,626 x 10-34 J.s

d. Vận tốc của một electron

Vận tốc của một electron có độ di động µ trong một điện trường E được biểu hiện như sau,

v = µE                                                                       (6)

µ = 1.400 cm2/Vs trong silicon. Khi một transistor có chiều dài ℓ = 100 nm bị đặt dưới điện áp V = 1 V, ta có E = V/ℓ. Như vậy, v sẽ là,

v = 1.400 km/s                                                           (7) 

Thật ra, con số này chỉ cho ta một khái niệm tổng quát v́ sự di động và vận tốc của electron trong mạch tích hợp khá phức tạp.

 

Tài liệu tham khảo

  1. H. Iwai, IDEM Tech. Digest (2004) 11.
  2. G. D. Wilk, R. M. Wallace and J. M. Anthony, J. Appl. Phys., 89 (2001) 5243.
  3. H. Wong and H. Iwai, Physics Today (September 2005) 40.
  4. X. Chen, C. Li and H. K. Tsang, NPG Asia Materials, 3 (2011) 34.
  5. G. T. Reed, G. Mashanovich, F. Ỵ Gardes and D. J. Thomson, Nature Photonics, 4 (2010) 518.
  6. M. Paniccia, Nature Photonics, 4 (2010) 498.

March 2011

(Đă đăng trên Diễn Đàn Forum)

 


(*) Anh Trương Văn Tân sinh quán tại tỉnh Sa Đéc, cựu học sinh trường trung học Sa Đéc và Tống Phước Hiệp (Vĩnh Long). Anh Tân đến Nhật cuối năm 1969. Anh tốt nghiệp  Bachelor Eng. (1975), Master Eng. (1977) trường Tokodai (Tokyo Institute of Technology) và PhD (1980, University of Adelaide, Úc).
Anh Tân hiện làm việc tại Viện Khoa Học và Công Nghệ Quốc Pḥng (Defence Science and Technology Organisation) trực thuộc Chính Phủ Liên Bang Úc. Anh chuyên về Vật Liệu Học và hiện nghiên cứu về polymers dẫn điện và ống nano carbon. Anh đă công bố gần 70 bài báo cáo khoa học trên các tạp chí khoa học quốc tế. Xem thêm những bài viết của anh Trương Văn Tân trên ERCT


Cảm tưởng xin gởi về :  vantantruong@hotmail.com

© "Khi phát hành lại bài này cần phải có sự đồng ư của tác giả 
và ghi rơ nguồn lấy từ www.erct.com"