Nếu phải chọn một linh kiện quan trọng nhất của thế kỷ 20, đó hẳn là transistor. Nó nhỏ đến mức hàng tỷ chiếc nằm gọn trong con chip bằng đầu ngón tay, vô hình trước mắt người dùng, nhưng mọi thiết bị điện tử hiện đại — từ điện thoại, máy tính, tivi đến tàu vũ trụ — đều đứng trên nó. Transistor không ồn ào như bóng đèn hay máy bay, nhưng chính nó là viên gạch đầu tiên và không thể thay thế của toàn bộ kỷ nguyên số.

Phòng thí nghiệm Bell và cuộc đua thay thế bóng đèn điện tử

Đầu thế kỷ 20, mọi thiết bị điện tử đều dựa vào bóng đèn điện tử: ống thủy tinh chân không to như bóng đèn thắp sáng, nóng, dễ vỡ, tốn điện và hay cháy. Chiếc máy tính ENIAC với 18.000 bóng như vậy cứ vài ngày lại hỏng một bóng. Hãng điện thoại Bell của Mỹ đặc biệt đau đầu, vì mạng điện thoại toàn quốc cần hàng nghìn bộ khuếch đại tín hiệu đáng tin cậy hơn. Phòng thí nghiệm Bell Labs vì thế lập một nhóm nghiên cứu chất bán dẫn với mục tiêu tìm ra linh kiện thay thế.

Nhóm gồm ba nhà vật lý: John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley. Quan hệ giữa họ không hề êm đẹp: Shockley là trưởng nhóm hay ghen tị, còn Bardeen và Brattain thường làm việc riêng. Tháng 12 năm 1947, Bardeen và Brattain trình diễn thành công thiết bị khuếch đại bằng chất rắn đầu tiên: một miếng germanium với hai tiếp điểm vàng đặt sát nhau — chiếc transistor tiếp điểm đầu tiên. Shockley sau đó phát triển dạng transistor nối hoàn thiện hơn vào năm 1948. Cả ba cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 1956, nhưng mối bất hòa khiến Shockley rời Bell Labs về California lập công ty riêng — vô tình gieo hạt giống đầu tiên cho Thung lũng Silicon.

Transistor hoạt động như thế nào

Transistor được làm từ chất bán dẫn, thường là silicon — vật liệu "nửa vời": dẫn điện không tốt như kim loại nhưng cũng không cách điện như nhựa, và độ dẫn của nó có thể điều chỉnh được bằng cách pha thêm tạp chất. Mỗi transistor có ba chân. Dòng điện nhỏ chạy vào chân điều khiển sẽ quyết định dòng điện lớn hơn nhiều có được chạy qua hai chân còn lại hay không.

Hãy hình dung một chiếc van nước: chỉ cần xoay nhẹ tay van, bạn điều khiển được cả dòng nước lớn đang chảy trong ống. Transistor là chiếc "van điện" như vậy, nhưng không có bộ phận chuyển động nào, và nó đóng mở được hàng tỷ lần mỗi giây. Từ cơ chế này sinh ra hai khả năng làm nên mọi thứ: làm công tắc (mở là 1, đóng là 0 — nền tảng của máy tính) và làm bộ khuếch đại (biến tín hiệu yếu thành mạnh — nền tảng của radio, điện thoại). Không cần làm nóng sợi đốt, không chân không, không dễ vỡ: transistor bật ngay lập tức, mát, bền và ngày càng rẻ khi sản xuất hàng loạt.

Viên gạch nhỏ xây nên cả kỷ nguyên số

Transistor đến với công chúng đầu tiên qua những sản phẩm khiêm tốn: máy trợ thính năm 1952 và chiếc radio bỏ túi Regency TR-1 năm 1954 — lần đầu tiên một thiết bị điện tử theo người ta ra khỏi nhà. Hãng Sony của Nhật Bản mua bản quyền công nghệ này và dùng radio transistor để chinh phục thị trường thế giới. Năm 1954, transistor bằng silicon ra đời, chịu nhiệt tốt hơn germanium và dùng nguyên liệu rẻ như cát. Năm 1958–1959, mạch tích hợp xuất hiện, gom nhiều transistor lên cùng một miếng silicon; từ đó số transistor trên chip tăng theo cấp số nhân, dẫn tới bộ vi xử lý và máy tính cá nhân.

Ngày nay, một con chip điện thoại chứa hàng chục tỷ transistor, và tổng số transistor nhân loại sản xuất ra mỗi năm lớn đến mức được coi là vật thể nhân tạo được chế tạo nhiều nhất trong lịch sử. Từ máy trợ thính, vệ tinh, thiết bị y tế cấy trong cơ thể người đến hệ thống dẫn đường tên lửa — tất cả đều bắt đầu từ miếng germanium nhỏ xíu trong phòng thí nghiệm Bell năm 1947.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Bell Labs cấp phép công nghệ transistor cho các hãng khác với giá chỉ khoảng 25.000 đô la — mức giá khiêm tốn đến bất ngờ cho phát minh làm thay đổi cả thế kỷ, một phần vì chính ban lãnh đạo cũng chưa hình dung hết tầm vóc của nó.
  • Tám nhân viên trẻ rời bỏ công ty của Shockley vì không chịu nổi tính khí của ông, rồi lập ra Fairchild Semiconductor — công ty mẹ đẻ ra Intel và hàng loạt hãng chip lớn. Báo chí gọi họ là "tám kẻ phản bội", còn lịch sử gọi họ là những người khai sinh Thung lũng Silicon.
  • Cái tên "transistor" là viết gọn của "transfer resistor" (điện trở truyền), được chọn qua một cuộc bỏ phiếu nội bộ tại Bell Labs.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Một thiên tài đơn độc đã phát minh ra transistor." Sự thật là thành quả của cả một tập thể, kèm theo không ít ghen tị và tranh giành công lao. Thậm chí từ thập niên 1920, nhà vật lý Julius Lilienfeld đã đăng ký bằng sáng chế mô tả đúng nguyên lý transistor hiệu ứng trường, chỉ là thời ấy chưa ai chế tạo được. Phát minh lớn hiếm khi là chuyện của một người và một khoảnh khắc.

Hiểu lầm: "Transistor chính là con chip máy tính." Không phải. Transistor là một linh kiện đơn lẻ — một chiếc công tắc điện tử. Con chip (mạch tích hợp) là cả một "thành phố" chứa hàng triệu đến hàng chục tỷ transistor nối với nhau. Transistor ra đời năm 1947, còn con chip phải hơn mười năm sau mới xuất hiện; nhầm hai khái niệm này cũng như nhầm một viên gạch với cả tòa nhà.

Nguồn tham khảo