Lịch sử vật lí thế kỉ 20 – Chất bán dẫn... (P32)

Chất dẫn điện, Chất cách điện và Chất bán dẫn

Để tìm hiểu lịch sử của ngành điện tử học bán dẫn, trước tiên cần tìm hiểu những tính chất của chất rắn. Nghĩa là quyển sách này tạm thời, nhưng cần thiết, đi chệch hướng khỏi lịch sử vật lí sang nói về lịch sử khoa học.

Các chất rắn chia thành ba loại khác nhau tùy theo cách mà chúng dẫn điện: chất dẫn điện, chất cách điện, và chất bán dẫn. Các chất dẫn điện thường là kim loại, và chúng cho dòng điện đi qua chúng một cách dễ dàng. Ở cấp độ nguyên tử, chúng có các electron trong dải dẫn của chúng. Các electron dẫn chuyển động trong chất dẫn điện một cách ngẫu nhiên, thỉnh thoảng bị bật trúng các nguyên tử và thay đổi hướng và tốc độ. Khi nối một chất dẫn điện với một nguồn điện áp, thí dụ như pin hay máy phát, thì chuyển động của các electron không còn hoàn toàn ngẫu nhiên nữa. Mặc dù chúng vẫn chuyển động bất quy tắc, nhưng các electron dẫn nói chung chạy ra khỏi điện cực âm (ca-tôt) và chạy về phía điện cực dương (a-nôt) của nguồn điện áp. Ngay khi những electron đó đi vào a-nôt, thì những electron khác từ ca-tôt chạy vào trong chất dẫn điện thay thế cho chúng.

Ngoại trừ trường hợp đặc biệt của sự siêu dẫn, các electron mất một phần năng lượng khi chúng va chạm trên đường đi từ ca-tôt sang a-nôt trong chất dẫn điện. Hiện tượng đó là nguyên nhân gây ra điện trở. Điện trở của một chất dẫn điện thường tăng khi nó nóng lên. Các nguyên tử của một chất rắn luôn luôn dao động xung quanh “nhà” của chúng hay vị trí cân bằng. Khi vật liệu nóng lên, các nguyên tử của nó dao động nhanh hơn, làm cho va chạm của một electron với những nguyên tử đó lấy đi nhiều hơn năng lượng chuyển động của nó. Khi nhiệt độ càng cao, electron càng phải đi quãng đường dài hơn, zic zắc hơn để sang a-nôt, nghĩa là nó gặp sự cản trở điện nhiều hơn.

Những phép tính cơ lượng tử nhiều vật cho các chất rắn luôn mang lại một dải hóa trị và một dải dẫn với một khe trống ở giữa chúng. Kích cỡ của khe trống đó cho biết một chất liệu có là chất cách điện tốt hay không. Chất cách điện không dẫn điện, nhưng không có chất liệu nào hoàn toàn cách điện cả. Khi nhiệt độ tăng lên, năng lượng trung bình của các electron trong mỗi nguyên tử tăng lên. Một số electron không ở lại trong những mức năng lượng thấp nhất nữa. Trong các chất cách điện, dải hóa trị có nhiều trạng thái năng lượng cao sẵn sàng hỗ trợ sự tăng năng lượng nhiệt. Để nhảy khỏi dải hóa trị sang dải dẫn, các electron cần năng lượng lớn nên điều đó hầu như không bao giờ xảy ra. Vì thế, đa số electron trong chất cách điện vẫn liên kết với các nguyên tử độc thân. Hầu như toàn bộ các electron còn lại đóng vai trò là electron liên kết giữa các nguyên tử - nghĩa là năng lượng của chúng nằm trong dải hóa trị - nên chúng không tự do chạy thành dòng được. Điều đó có nghĩa là chất cách điện chặn dòng điện lại gần như hoàn toàn. Một cách nói khác là điện trở của một chất cách điện là cực kì cao.

Trong các chất bán dẫn, các mức năng lượng electron dải hóa trị gần như đã lấp đầy, và khe trống giữa dải hóa trị và dải dẫn là nhỏ. Khi nhiệt độ của một chất bán dẫn tăng lên, thì một số electron thu đủ năng lượng để nhảy khỏi dải hóa trị sang dải dẫn. Vì thế, điện trở của một chất bán dẫn là cao nhưng không cao lắm, khiến nó chẳng phải chất dẫn điện tốt, cũng chẳng phải chất cách điện tốt. Điện trở của một chất bán dẫn giảm (hay độ dẫn của nó tăng lên) khi nhiệt độ của nó tăng lên; điều đó ngược lại với hành trạng của một chất dẫn điện.

Tính chất quan trọng nhất của một chất bán dẫn đối với điện tử học là phương thức mà độ dẫn điện của nó có thể thao tác được. Chất bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất là nguyên tố silic, nó có 4 electron hóa trị trên mỗi nguyên tử. Silic tinh khiết hình thành nên những tinh thể liên kết cộng hóa trị trong đó mỗi nguyên tử silic chia sẻ một trong những electron hóa trị của nó với một trong bốn nguyên tử láng giềng. Sự sắp xếp đó mang lại cho mỗi nguyên tử trong tinh thể một lớp vỏ lấp đầy có tám electron. Tuy nhiên, vì những electron đó là dùng chung giữa vài nguyên tử, nên lớp vỏ lấp đầy đó không liên kết chặt chẽ như nó vốn có nếu như toàn bộ tám electron đều thuộc về một nguyên tử. Dải hóa trị được lấp đầy, và khe trống giữa nó và dải dẫn không còn lớn lắm. Vì thế, cho dù ở nhiệt độ phòng cũng có đủ năng lượng nhiệt để đưa một vài electron hóa trị liên kết lỏng lẻo vào trong dải dẫn.

Vì các electron mang điện tích âm, nên mỗi nguyên tử silic mất một electron sang dải dẫn sẽ còn thừa lại điện tích dương. Thật ra thì electron trong dải dẫn đã tạo ra một lỗ trống tích điện dương đi cùng với một nguyên tử silic. Lỗ trống đó có thể hút một electron từ một nguyên tử lân cận. Khi điều đó xảy ra thì lỗ trống đã di chuyển sang chỗ lân cận. Do năng lượng nhiệt trong tinh thể, nên các cặp electron-lỗ trống sinh ra ở một tốc độ ổn định. Số cặp sẽ tăng dần trừ khi một electron dẫn được tạo ra ở một nơi thỉnh thoảng bắt gặp một lỗ trống ở đâu đó và lấp đầy nó. Hiện tượng đó gọi là sự kiện hủy cặp vì nó làm cho electron lẫn lỗ trống cùng biến mất. Khi tốc độ hủy cặp electron-lỗ trống bằng với tốc độ tạo cặp electron-lỗ trống, thì số lượng mỗi loại điện tích không tăng nữa, và cả hai loại di chuyển tự do trong tinh thể với số lượng bằng nhau.

Nếu như hai điện cực của pin được nối với hai bên của một tinh thể silic, thì các electron chạy về phía anode và đi vào anode, còn những lỗ trống thì chạy về phía cathode, ở đó chúng được lấp đầy bởi những electron từ pin đến. Dòng điện nhỏ hơn nhiều so với trường hợp khi hai cực của pin được nối qua một dây kim loại, nhưng silic rõ ràng không hành xử giống như một chất cách điện.

Cho đến đây, trừ một đoạn đề cập ngắn gọn đến những khiếm khuyết tinh thể ở chương 4, quyển sách này vẫn xét các tinh thể như thế chúng là những sự sắp xếp hết sức đều đặn của các nguyên tử. Thật ra, những ứng dụng công nghệ quan trọng nhất của các chất bán dẫn thu được từ việc đưa có chủ đích những tạp chất vào trong một tinh thể nếu không thì đã gần như hoàn hảo của một chất liệu bán dẫn. Giả sử thêm một chút phospho – láng giềng của silic trong bảng tuần hoàn với nhiều hơn một proton và một electron trên mỗi nguyên tử - vào silic. Các nguyên tử phospho thế chỗ những nguyên tử silic trong cấu trúc mạng. Chúng chia sẻ 4 trong số 5 electron hóa trị với nguyên tử silic lân cận, và electron thứ 5 sẽ đi vào trong dải dẫn mà không tạo ra lỗ trống nào hết. Do các electron ở trong dải dẫn, nên silic pha tạp chất là một chất dẫn điện tốt hơn, nhưng lúc này chỉ dẫn bởi dòng những hạt mang điện âm. Vì lí do đó mà nó được gọi là chất bán dẫn loại n.

Sự có mặt của những nguyên tử tạp chất có thể làm cho một chất bán dẫn có thừa electron (loại n) hoặc lỗ trống (loại p).

Mặt khác, giả sử tạp chất được pha thêm là một láng giềng khác của silic, nhôm, nguyên tố thiếu một proton và một electron so với silic. Khi một nguyên tử nhôm thế chỗ một nguyên tử silic, nó chỉ có 3 electron hóa trị để chia sẻ, và tinh thể trở thành một chất bán dẫn loại p với sự dư thừa những lỗ trống tích điện dương. Một lần nữa, khả năng dẫn điện của nó được tăng cường, nhưng lần này đến lượt lỗ trống mang dòng điện.

Nối một chất bán dẫn loại p với một chất bán dẫn loại n sẽ tạo ra một dụng cụ gọi là diode. Nếu anode của pin được nối với phía loại p, thì hiệu điện thế sẽ làm dịch chuyển những lỗ trống trong phía loại p và những electron trong phía loại n về phía chỗ tiếp xúc, tại đó chúng gặp nhau và hủy lẫn nhau. Anode hút lấy các electron và tạo ra những lỗ trống mới ở phía loại p, còn cathode gửi những electron mới vào phía loại n. Kết quả là một dòng điện đều đặn. Diode như thế được gọi là phân cực thuận.

Lớp tiếp xúc giữa một chất bán dẫn loại p và một chất bán dẫn loại n có thể tác dụng như một diode, dụng cụ cho phép dòng điện chạy chỉ theo một chiều, không cho chạy theo chiều ngược lại.

Nhưng nếu đảo nguồn ngược lại, thì hiệu điện thế làm cho các electron của phía loại n chạy về anode, và các lỗ trống của phía loại p thì chạy về cathode. Lần này, các điện tích trái dấu hình thành ở bên ngoài của diode và làm trung hòa hiệu điện thế của nguồn. Không có điện tích nào dịch chuyển qua lớp tiếp xúc, và vì thế không có dòng điện chạy, và người ta nói là diode bị phân cực ngược. Như vậy, diode là một cái van một chiều đối với dòng điện: Nó thật có ích cho việc biến đổi dòng điện xoay chiều thành điện một chiều.

Transistor là những dụng cụ bán dẫn tác dụng như những bộ khuếch đại hoặc công tắc điện có thể điều khiển được. Ngày nay, chúng có nhiều dạng, nhưng một trong những loại đầu tiên được chế tạo – và dễ giải thích nhất – là giống như hai diode lưng-đối-lưng, tạo thành ba lớp xen kẽ của chất bán dẫn loại p và loại n. Hình vẽ bên dưới cho thấy sự hoạt động của một transistor n-p-n, trong đó các electron có thể chạy từ cathode vào một vùng loại n gọi là emitter (cực phát), qua một vùng loại p gọi là base (cực gốc), sang một vùng loại n thứ hai gọi là collector (cực thu), và rồi chạy sang anode. (Các lỗ trống có thể chạy theo hướng ngược lại) Dòng điện có chạy qua hay không và cường độ bao nhiêu là tùy thuộc vào một hiệu điện thế biến thiên nhỏ (ngược chiều với hiệu điện thế chính) giữa hai bên lớp tiếp xúc base-colletor. Không có hiệu điện thế đó, lớp tiếp xúc base-collector sẽ chặn dòng điện lại giống như một diode phân cực ngược; nhưng nếu hiệu điện thế đó đủ lớn, thì lớp tiếp xúc ấy bị phân cực thuận, và các electron sẽ đi qua.

Transistor là một dụng cụ bán dẫn trong đó một sự thay đổi nhỏ về hiệu điện thế đặt vào có thể điều khiển một sự thay đổi lớn ở dòng điện, khiến nó có vai trò là một bộ khuếch đại hoặc một công tắc điện có thể điều khiển được.

Nói cách khác, có một hiệu điện thế base-collector ngưỡng tại đó xảy ra sự biến đổi dòng điện transistor. Nếu ngưỡng đó dốc đứng, thì sự biến đổi hiệu điện thế tác dụng giống như một cái công tắc chuyển transistor giữa on và off. Nếu ngưỡng đó tăng từ từ, thì transistor có thể là một bộ khuếch đại, nó phản ứng với sự thay đổi nhỏ về hiệu điện thế với sự thay đổi lớn về dòng điện của nó trong vùng ngưỡng.

Vào cuối những năm 1940, nhiều nhà vật lí đang khảo sát lí thuyết lượng tử nhiều vật của chất rắn, đặc biệt khi áp dụng nó cho các chất bán dẫn. Tại Phòng thí nghiệm Bell, John Bardeen nổi lên là một người lãnh đạo vì ông cũng hiểu rõ những vấn đề kĩ thuật thực hành của việc chế tạo những dụng cụ điện tử bán dẫn. Người ta nói tới việc pha tạp chất vào mẩu silicon với những lượng nhỏ để chế tạo những lớp kẹp p-n-p hoặc n-p-n với những tính chất như mong muốn. Người ta cần đến sự hòa trộn của kiến thức toán học, kĩ năng thực hành và sự đột phá công nghệ để thật sự chế tạo ra một transistor. Như đã lưu ý ở chương trước, đội khoa học của William Shockley, Walter H. Brattain, và Bardeen là những người đầu tiên hoàn thành kì công đó, và nó đã mang lại cho họ giải thưởng Nobel vật lí năm 1956.

Còn tiếp nhiều kì...

Xem lại Phần 31