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 não 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 lò 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 thì 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 trình chế tạo thu nhỏ của transistor làm từ nguyên tố silicon, những khó khăn vướng mắc và cách giải quyết nhằm hiểu rõ 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 trình 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 mãn sự khao khát tột độ của giới tiêu thụ: tốc độ ứng đáp.

1. Viễn tưởng thành hiện thực

Hãy tưởng tượng khi bạn gọi điện đến nhà trẻ, đứa con của bạn sẽ tươi cười xuất hiện trên màn hình của chiếc điện thoại di động. Cũng từ chiếc điện thoại di động, bạn dùng nó như một bật điện từ xa bật cái lò trong bếp để nướng con gà khi bạn vừa xong việc mua sắm ở siêu thị, lùi chiếc xe ra khỏi bãi đậu và chuẩn bị về nhà. Vừa về đến nhà thì con gà gần nướng xong. Hãy tưởng tượng bạn bật nút trong chiếc xe bạn đang lái sang bộ phận "tự động điều khiển" để bạn có chút tự do nhìn vào sổ tay xem lịch trình hoạt động ngày mai. Hãy 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 hình 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 xã 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 quý giá đắt tiền mà các gia đình Việt Nam hiếu học mua tặng cho con em trở nên thừa thãi đến mức thư viện địa phương từ chối không nhận. Chiếc máy tính, điện thoại cầm tay, máy ảnh kỹ thuật số, màn hình 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 đã cách mạng lề lối làm việc và thống trị cách sống của loài người bao trùm từ một cá nhân, gia đình, 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 tìm được thông tin ta muốn từ internet, những bản nhạc tình của một thời học trò 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 đã từng mơ ước vừa nói chuyện qua điện thoại vừa nhìn thấy người đối diện. Những người trẻ hay trẻ trong con tim dập dìu qua lại ngưỡng cửa tình yêu muốn những bức thư tình lãng mạn của mình bay tới bay lui trong chớp mắt. Việc đó giờ đây trở nên quá bình thường, ta thoải mái tha hồ nói cười, tha hồ nhìn nhau, tha hồ lãng 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 nhìn, 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 ngõ ngách của hành tinh từ rừng sâu hoang dã, 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 phòng 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 xã hội loài người? Bài viết này nói về những tiến trình 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 dòng thời gian

Để tìm hiểu kỷ nguyên điện tử, ta trở lại những năm của thập niên 50 khi chiếc radio vẫn còn là một dụng cụ đắt tiền cho sự tiêu khiển của những gia đình 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) đã 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 đã được Brattain mô tả là không to hơn đầu giây giày mà ta có thể dễ dàng nắm một trăm chiếc trong lòng bàn tay. Bardeen, Brattain và Shockley đoạt giải Nobel Vật lý (1956) cho công trình 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 hãng Sony. Ông Morita sang Mỹ điều đình mua quyền sản xuất transistor từ Bell Labs mà bộ ba Bardeen, Brattain và Shockley nghĩ cái phát minh độc đáo của mình 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 đã 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 còn đang tiếp diễn. Sự ra đời của radio transistor đã nâng cao tên tuổi của Sony lên tầm quốc tế. Trong một lần công du tại Pháp, thủ tướng Nhật đương thời Eisaku Sato hãnh diện tặng tổng thống Pháp Charles de Gaulle một chiếc radio transistor "made in Japan" nhưng lại bị người hùng Pháp Quốc còn 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 ngõ hẻm, mang đến những niềm vui đơn giản cho người dân từ thành phố đến thôn quê. Sau radio là máy truyền hình transistor mà Sony đặt cái tên là "solid-state" tivi.

Transistor không chỉ là một linh kiện khuếch đại dòng điện mà còn là một công tắc (switch) đóng mở dòng điện. Chính tác dụng đóng mở đơn giản này của transistor đã tạo ra một cuộc cách mạng điện tử vô tiền khoáng hậu trong lịch sử xã 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 dòng điện. Nước chảy trong ống nhờ áp suất cũng như dòng điện lưu động nhờ điện áp. Khi ta mở van thì 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 vì 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 dòng điện (Hình 1). Cổng đóng mở được điều động bằng điện áp. Từ lúc phát minh đến ngày nay, dù đã 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, thì transistor là một linh kiện nhị phân.

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 vì chỉ gồm hai số 1 và 0. Thật ra, mã 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 đã được dùng cho tín hiệu truyền thông Morse bằng dấu chấm và dấu gạch. Ở thời đại tin học, mã nhị phân đạt đến một đỉnh cao chói lọi vì nó được sử dụng cho tất cả mọi thông tin từ phức tạp đến đơn giản; từ chữ viết, con số đến hình 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 mã nhị phân. Một bài tân cổ giao duyên "Chuyện tình 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 mã 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 mã những chuỗi số để đưa chúng trở về dạng nguyên thủy, có thể đó là những lời ca thổn thức, một dòng nhạc du dương, một quyển tiểu thuyết nổi tiếng hay bức ảnh tái hiện "Mona Lisa" của Leonardo de Vinci nhiều màu sắc. Đầu não của những dụng cụ điện tử đó là bộ nhớ và bộ vi xử lý (chip) chứa hàng trăm triệu transistor có tác dụng đóng/mở tương ứng với nhị phân 1/0, vừa đọc vừa xử lý theo ý 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 phòng 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 đòi hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mãnh 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 đã 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, đã 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,còn gọi là mạch tích hợp hay bộ vi xử lý (microprocessor), là bộ phận điều khiển trung tâm của máy vi tính và các dụng cụ điện tử, tương tự như bộ não 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 lý thuyết trong ý 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 lý chứa 1 tỉ transistor trong một khoảng không gian chỉ to vài cm².

Theo dòng thời gian, định luật Moore vô hình 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 đã thoả mãn yêu cầu của Moore và sẽ tiếp tục đúng trong vòng 15 năm tới. Trong vòng 40 năm, transistor đã 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 thì 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 (Hình 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 lý vài chục ngàn lần to hơn, thì đây là một cuộc cách mạng khoa học vang dội vượt ra ngoài sự tưởng tượng của con người cách đây nửa thế kỷ.

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 (Hình 3) . Nhu cầu chế tạo máy tính và những dụng cụ điện tử cao cấp đòi 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 chì làm bằng tay không thể giải quyết được đòi 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 chì. 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.

Tưởng chừng như "lực bất tòng 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 ý tưởng là thay vì 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 đã tạo ra một kỳ tích; ông thiết kế một vi mạch có kích thước 1,6 x 11 mm (Hình 4) mà bây giờ người ta gọi là chip. Robert Noyce, người sáng lập hãng 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 đã 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 trình 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.

Sau hơn bốn thập niên Kilby mới đoạt giải Nobel Vật lý (năm 2000) cho phát minh mạch tích hợp nhưng tiếc thay Noyce đã qua đời trước ngày vinh quang này vì 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 còn lan tỏa đến dụng cụ điện tử cao cấp, đến công cụ bình 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. Vì các loại tia quang học được tận dụng triệt để cho việc "chạm khắc" trên mảng silicon (silicon wafer) nên còn gọi là li-tô quang (Hình 5). Nhu cầu thu nhỏ của transistor đã 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 trình 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 thì mới có 1 nguyên tử tạp chất lẫn vào. Nói một cách tượng hình hơn, hãy tưởng tượng dân số một nước to lớn như Ấn Độ hay Trung Quốc vào khoảng 1 tỉ người thì 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 trình làm chip từ khâu tinh luyện silicon đến thành phẩm hoàn toàn được thực hiện trong phòng 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 phòng 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.

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

Mạch tích hợp có thể hình 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 (Hình 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 trình 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 hình 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 (Hình 6).

Vài mươi năm trước khi transistor và các đường dây nối còn 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 thì 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 nhòe 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. Vì vậy, mỗi bước thu nhỏ đòi 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 đòi 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 thì 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 trình tiêu biểu của phương pháp "từ trên xuống". Nghĩa là theo dòng 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 thì ta giảm nhiệt. Nhưng, giảm nhiệt trong một siêu vi mạch không đơn giản và nếu việc giảm nhiệt được diễn ra thuận lợi thì có lẽ chiếc máy tính ngày nay đã 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 lý gia tăng nhưng không có một biện pháp giảm nhiệt thỏa đáng thì 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 transitor 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. Vì 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 vì lớp cách điện SiO₂ quá mỏng gây ra rò 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 mình con người tận dụng sự ưu đãi của thiên nhiên một cách hoàn hảo. Thiên nhiên đã cho ta silicon, bây giờ ta cần một lớp mỏng chất cách điện thì 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 rõ lý 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 lý nhiệt silicon trong môi trường oxygen thì 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 rò 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 rò điện. Để chế ngự việc phát nhiệt, người ta phải thay thế SiO₂ bằng một loại oxide khác có hằng số điện môi (ký hiệu k) cao, còn 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 đã nghiên cứu nhiều loại oxide có hằng số điện môi cao để thay thế SiO₂ [2]. Cuối cùng, hai công ty Intel và IBM đã 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 trì được cường độ dòng điện cần thiết đi qua transistor đồng thời ngăn chặn được sự rò điện và nhờ vậy giảm thiểu sự phát nhiệt của chip (Phụ lục b). SiO₂ đã phục vụ con người gần nửa thế kỷ và chấm dứt vai trò lịch sử của mình. HfO₂ là một bước ngoặt quan trọng thay thế vai trò 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 trì trong một thập niên kế tiếp.

5. Đâu là độ nhỏ cuối cùng?

Tính thực dụng của các dụng cụ điện tử như giới tiêu thụ đã nhận thấy từ nhiều năm qua 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 tập trung vào sự cải biến và lộ trình tương lai của chip vi tính vì máy tính là một dụng cụ có sự đòi hỏi cao nhất về chức năng và tốc độ xử lý 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 đã 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 vi tinh 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 vì sự rò 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 trì và thông minh của các kỹ sư và nhà khoa học. Lý thuyết kinh điển phải cải biên và các chuyên gia tiếp tục hoàn thiện các phương thức chế tạo cũng như tìm kiếm vật liệu mới cho transitor nhằm rút nhỏ hơn nữa kích cỡ của transistor.

Theo sự dự đoán của ITRS dựa trên các công trình nghiên cứu khoa học và tiến bộ trong quy trình 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, vì 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 dòng điện tùy vào điện áp. Độ lớn trung bình 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 lý thuyết người ta có thể thiết kế một transistor có độ nhỏ tận cùng là 0,2 nm. Nếu dùng tinh thể silicon thì độ tận cùng sẽ là 0,3 nm. Năm 2003, các nhà khoa học của công ty NEC (Nhật Bản) đã 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? Hơn nửa thế kỷ qua, việc thu nhỏ transistor đã diễn ra khá thuận lợi vì chúng ta vẫn còn nằm trong phạm vi các quy luật của thế giới vĩ mô mà các kỹ sư điện tử đã 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 lý 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 dòng điện, hay nói khác hơn dòng chảy của electron trong một mạch điện là một hiện tượng vĩ mô giống như dòng nước như đã so sánh ở trên. Electron trong ý nghĩa này là hạt. Như dòng nước, khi có một bức tường chắn ngang dòng electron sẽ bị ngăn lại. Cái cổng transistor là một bức tường đóng mở đối vớì dòng electron. Tuy nhiên, khi cái cổng trở nên quá nhỏ hẹp electron không còn hành xử như hạt mà sẽ là sóng thoải mái đi xuyên qua cổng như một bóng ma. Nhà vật lý Pháp de Broglie cho biết đối với một vật chất cực nhỏ như electron, khi bị đặt trong một không gian cực nhỏ thì đặc tính sóng sẽ hiện rõ và là tác nhân chi phối trong mọi tình huống. Như vậy, cổng đóng nhưng electron vẫn đi qua dưới dạng sóng, dòng điện vẫn ngang nhiên chảy, ta bị rò điện bởi tác động lượng tử, như một vòi nước bị rỉ, tác dụng đóng mở không còn hiệu nghiệm, transistor không còn là transistor. Bước sóng của một electron di chuyển giữa điện áp 1 -2 V trong một transistor là 1 nm (Phụ lục c). Vì 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 tìm thấy vận may với chất bán dẫn silicon vô cùng hào phóng. Họ cũng đã và đang tạo ra những bước đột phá kết hợp kiến thức đa ngành để hoàn thiện phương pháp khắc li-tô. Nhưng ta lại dễ dàng quên đi chức năng của yếu tố thứ ba nhưng 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 ngõ 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 lý 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 còn 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 còn chỗ rộng rãi cho electron dập dìu qua lại.

Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên dòng 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 thì 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 thì sự phát nhiệt không còn là nỗi lo âu và ta có thể thiết kế một máy tính với tốc độ ứng đáp và xử lý siêu việt. Có thật sự khả thi không? Ta hãy nhìn vào tương lai...

6. …Và tương lai

Chiếc transistor mà hơn nửa thế kỷ trước kia đã được Brattain mô tả là không to hơn đầu giây giày và ta có thể dễ dàng nắm hốt vài trăm chiếc trong lòng bàn tay giờ đây đã biến mất trước con mắt trần tục của ta vì quá nhỏ. Và nếu ta có thể nắm được chúng trong lòng bàn tay thì 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 xã hội loài người. Nhưng đây là lịch sử và xã hội hôm nay có những đòi hỏi cao hơn.

"Tốc độ xử lý" là một đòi 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 lý 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. Transitor silicon đã đụng vào một giới hạn vật lý 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 đã đến lúc cặp bài trùng "silicon và electron" hoàn thành nhiệm vụ của mình và phải rũ áo từ quan? Dù đứng trước những đòi 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. Nhìn 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 là 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) và 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 lý 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 lòng đại dương phục vụ ngành viễn thông, trong khi electron là phương tiện điều khiển và xử lý thông tin của bộ nhớ và bộ vi xử lý. Trong ý nghĩa này photon là nô lệ và electron là vua. Có một ngày nào nô lệ thành vua và vua hiện tại sẽ chìm vào lịch sử? Ngày đó sẽ không còn 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 bình 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.

Trương Văn Tân

March 2011

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:

Mẫu tự La-tinh, mỗi chữ 8 bit:

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

文 = 0110010110000111, 字 = 0101101101010111

Như vậy, một quyển sách nhỏ có 200.000 mẫu tự La-tinh thì 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= kε_oA/t                                    (1)

k là hằng số điện môi, ε_o 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 trình (1) biểu hiện, C gia tăng khi hằng số điện môi k tăng và khi độ dày t giảm. C cần phải duy trì 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 trình (1), t sẽ là,

t = kε_o(A/C)                                (2)

Khi C/A = 34,5 x 10^-3 F/m² và k của silicon là 3,9, độ dày t là 1 nm. Độ dày này quá mỏng và sự rò điện xảy ra. Khi dùng HfO₂ với k =16, độ dày t = 4 nm. Như vậy, t gia tăng 4 lần và sự rò điện giảm đi 100 lần.

c. Bước sóng của điện tử

Để một điện tử 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,

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

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 vì 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.