|
A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 2 Robert Noyce: Hai lần “hụt” giải Nobel về vật lư Trần Trí Năng
Nói về kỹ nghệ vi mạch điện tử và vùng Silicon Valley th́ ít ai trong cộng đồng khoa học và kỹ thuật chưa từng nghe tên Robert Noyce, người đă cùng với Gordon Moore sáng lập ra Intel, hăng chế tạo chip điện tử lớn nhất thế giới. Ngoài khả năng chuyên môn với những phát minh lớn như vi mạch tiếp hợp, tunnel diode và microprocessor , Noyce c̣n là một nhà kinh doanh giỏi và đă từng làm “mentor” cho nhiều nhà kinh doanh thành công, trong số đó có Steve Jobs. Nhưng có điều trớ trêu là Noyce h́nh như không có “duyên” với giải Nobel?! Trong lịch sử khoa học và kỹ thuật, nếu John Bardeen là người đă lănh hai giải Nobel về vật lư th́ ngược lại Robert Noyce đă hai lần mất cơ hội được giải Nobel về cùng ngành vật ly: Nobel 2000 với Jack Kilby về vi mạch tích hợp IC (v́ ông mất trước đó) và Nobel 1973 với Leo Esaki về tunnel diode (v́ người lănh đạo không đồng y cho ông phát biểu hiện tượng này).
Từ khóa: Integrated circuits, tunnel diode, microprocessor, Robert Noyce, Jack Kilby, Fairchild Semiconductor, Jean Hoerni, Ted Hoff, thermal oxidation, diffusion technology, photolithography, Leo Esaki., M. Atall, William Shockley.
1. Câu chuyện bên lề Một trong những điều chúng tôi thích nhất ở tiếu bang Minnesota này là sự tuần hoàn của bốn mùa rất rơ rệt. Mỗi năm cứ sau Lễ Lao Động và vào ngày tựu trường là mùa thu lại trở về. Sau khi uống xong ly trà “đậm”, chúng tôi thường chạy dọc theo bờ hồ Demontreville trước là để co dản cơ thể và sau là để t́m lại vài giây phút b́nh an và thở hít không khí trong lành của buổi sáng. Có điều chúng tôi thấy khác lạ sáng nay là nơi khu rừng bên kia bờ hồ, lá đă bắt đầu chớm điểm những đóm màu xanh, cam, vàng, đỏ khác nhau dưới ánh mặt trời rực rỡ của tháng chín. Cứ mỗi lần như vây là chúng tôi thấy ḷng náo nức và cảm thấy văng vẳng đâu đây bài học thuộc ḷng “Tôi đi học” của Thanh Tịnh. Lời văn rất lưu loát cho người đọc và người nghe những cảm xúc thật nhẹ nhàng , thật thân thương triều mến. “…Hằng
năm cứ vào cuối thu, lá ngoài đường rụng
nhiều và trên không có những đám mây bàng bạc, ḷng tôi lại nao nức
những kỷ niệm hoang mang của buổi tựu trường. Thanh Tịnh (Tôi đi học) 2.Vài nét về Robert Norton Noyce Robert Norton Noyce được sinh ra ở Burlington, Iowa vào ngày 12, tháng 12 năm 1927 và mất vào ngày 3 tháng 6 năm 1990 tại Austin, Texas. Là con của một mục sư, ông lớn lên ở Grinnell, Iowa , tốt nghiệp bậc đại học ở Grinnell College và nhận Ph.D. từ MIT. Sau một thời gian ngắn làm việc ở Philco về transistors, ông theo William Shockley về làm việc ở Shockley Semiconductor, vùng Silicon Valley (lúc đó là Santa Clara Valley). Một năm sau đó, ông cùng bảy người khác trong nhóm thành lập hăng Fairchild Semiconductor . Vào năm 1968, Robert Noyce và Gordon Moore rời Fairchild Semiconductor để mở hăng Intel, sau này trở thành hăng chế tạo chip điện tử ớn nhất thế giới..[H́nh 1]. Trong nhóm “the Fairchild Eight”, có lẽ Noyce là người gần và kính trọng Shockley nhất. Hăy nghe Noyce thổ lộ cảm giác của ông khi nhận được cú điện thoại bất ngờ từ Shockley mời ông tham dự hăng Shockley mới thành lập: -“It was like picking up the phone and talking to God…He was absolutely the most important person in semiconductor electronics. Getting that job meant you would definitely be playing in the big leagues.”
H́nh 1 (bên trái)
: Robert Noyce cùng với Jack Kilby
3. Hai lần mất cơ hội lănh giải Nobel về physics Robert Norton Noyce đă hai lần mất cơ hội được giải Nobel về cùng ngành: (i) Về vi mạch tích hợp: Noyce và Kilby là hai người đă đề nghị và thực hiên vi mạch tích hợp (intergrated circuits), mở đầu cho sự lớn mạnh của kỹ nghệ điện tử sau này. Jack Kilby là người đầu tiên đă đưa ra ư tưởng về mạch tiếp hợp IC ; nhưng phương pháp của ông không thể dùng để chế tạo hàng loạt mạch IC nhất là khi mật độ linh kiện điện tử khá lớn ; chỉ có phương pháp của Robert Noyce và Jean Hoerni triễn khai không lâu sau đó mới thích họp và là phương pháp hiện tại kỹ nghệ đang dùng để chế tạo linh kiện điện tử. Kilby nhận giải Nobel về vật ly về công tŕnh vi mạch tích hợp vào năm 2000 (lúc ấy Noyce đă qua đời rồi , và Hội đồng khoa học Thụy Điển chỉ có thể phát giải thưởng này cho những người c̣n sống!) và (ii) Tunnel diode: Robert Noyce ghi trong sổ tay của ông khái niệm về tunnel diode vào năm 1956, nhưng không tiếp tục nghiện cứu v́ “boss” của ông – William Shockley- không muốn ông làm công tác này một phần v́ không iên quan trực tiếp đến sản phẩm mà Shockley Semiconductor muốn chế tạo; c̣n một phần là do tính độc tài và lập dị của Shockley. Leo Esaki lănh giải Nobel về tunnel diode vào năm 1973 về phát minh của ông vào cuối thập niên 50’s [1]
4 Sự phát minh vi mạch tích hợp (Integrated circuits) 2-1- Jack Kilby là người đầu tiên đưa ra khái niệm về mạch tích hợp Đồng thời với sự thành lập hăng Fairchild Semiconductor, cũng có một hăng nhỏ tên là Texas Instruments (TI) được tạo dựng lên ở Austin, Texas, để sản xuất germanium transistors. Vào năm 1958, Jack Kilby của TI à người đầu tiên t́m ra phương pháp để kết nối nhiều transistors và các linh kiện điện tử như phần tụ điện, điện trở với nhau trên cùng một tấm nền germanium dùng phương pháp hàn (soldering) từng bộ phận một với nhau [H́nh 2 và ref. 2] . Kilby và TI nhận được bằng sáng chế về quy tŕnh chế tạo vào 23 tháng 1 , năm 1964 [US 3,138,743]. Phương pháp của Kilby thực sự không thể dùng trong việc sản xuất hàng loạt và không thích hợp mật độ linh kiện điện tử gia tăng. Cộng đồng khoa học phải chờ đến khi Jean Hoerni và Bob Noyce của Fairchild thành công với phương pháp “vi mạch tích hợp” thực tiễn hơn.
H́nh 2 (bên trái) :Mẫu thử (prototype) liên
quan đến mạch tích hợp do Jack Kilby chế tạo ở Texas Instruments;
2-2 Robert Noyce và Jean Hoerni với phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp thực tiễn
2-2-1 Lớp oxide bằng nhiệt và planar technology là hai phát minh thiết yếu đặt nền tảng cho kỹ thuật vi mạch tích hơp sau này
Theo thiển nghĩ của người viết,
vi mạch ích hợp và kỹ nghệ vi điện tử không thể h́nh thành được như
ngày hôm nay nếu không có phát minh lớp oxide của M. Atalla và planar
technology của Jean Hoerni.
H́nh 3
(bên trái): “The Fairchild Eight” nh́n từ trái sang phải: Gordon
Moore, C. Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor
Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni và Jay Last. (
Fairchild Semiconductor Corp. và Magnum Photos).
H́nh 4 (bên trái): The
planar process. Vùng với các đường gạch nghiêng về hướng
trái à silicon oxide; (bên phải): Jean Hoerni trong pḥng nghiên cứu ở Fairchild Semiconductor (Fairchild Semiconductor Archives)
Quy tŕnh được bắt đầu bằng cách
bao phủ tấm nền đơn tinh thể loại N bằng một lớp silicon oxide mỏng
dùng phương pháp nhiệt của Atalla và tạo vias xuyên qua lớp oxide dùng
phương pháp photolithography (công đoạn a &b). Tiếp theo đó, tinh
thể oại P được tạo trong tấm nền loại N
bằng cách khuếch tán các chất thuộc cột III trong bản hóa trị như
boron dùng phương pháp khuếch tán ( công đoạn c). Các công đoạn (d)-
(g) được tạo thành bằng cách lập lại các phương pháp khuếch tán và
photolithography ở các công đoạn (a)- (c). Những
công đoạn này dựa vào những phát minh của Bell Labs như đă tŕnh bày ở
trên. 2-2-2 Robert Noyce với phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp thực dụng Ở Fairchild, Vào ngày 23 tháng 1 năm 1959, với sự thành công về planar technology của Hoerni, Robert Noyce t́m cách kết nối bằng cách tích hợp các linh kiện điện tử và mạch liên kết với nhau và cách biệt những bộ phận này bằng lớp silicon oxide. Noyce cũng đề nghị đặt trên lớp silicon oxide các mạch tiếp nối bằng nhôm (aluminum interconnections) giữa hai thành phần điện tử và để cách điện với tấm nền silíc nằm phía dưới.. Tựa đề của bằng sáng chế của Noyce là “Semiconductor Device- and- Lead Structure” Noyce filed ngày 30 tháng 7, 1959, và được cấp bằng sáng chế vào ngày 25, tháng tư, năm 1961 [ US 2,951,877]. [H́nh 5]
H́nh 5 (bên trái): Bằng sáng chề vi mạch tích hợp của Robert Noyce, trong đó ông dùng planar technology của Hoerni.. (bên phải) Prototype về IC do Jay Last chế tạo [tài liệu từ Fairchild Semiconductor]
3. Tunnel Diode (Điốt có hiệu ứng đường hầm)
Trong bài phát biểu tại
hội nghị của MIT Club về Cải tiến kỹ thuật (Innovation) ở New York,
vào tháng 12, năm 1976, Robert Noyce muốn nhấn mạnh vai tṛ của người
lănh đạo trong việc khích lệ những cán bộ nghiên cứu trẻ. Ông đưa ra
trường hợp của cá nhân ông lúc mới đến làm ở hăng Shockley
Semiconductor để làm thí dụ : ông thuật lại
rằng ông có ghi trong sổ tay của ông khái niệm về Tunnel Diode vào năm
1956, và có cho Gordon Moore biết. Sau đó ông tŕnh bày y tưởng này
với Shockley; và Shockley tỏ ra không quan tâm một phần v́ hiện tượng
này không liên quan đến sản phẩm hăng muốn chế tạo, mà phần chính là
như đă tŕnh bày ở những số trước trong ERCT tính Shockley rất “độc
tài”, lập dị và không muốn nhân viên ḿnh
làm những công tác nghiện cứu mà ông không đề xướng [4].
Leo Esaki nghĩ ra khái niệm này hâu như cùng thời
điểm với Noyce, và tiếp tục thực nghiệm đưa ra sản phẩm. Đây là
hiện tượng negative resistance với ḍng điện giảm khi điển áp tăng lên
cao do hiệu ứng tunen (tunneling effect) [H́nh
6, ref. 7 ]. So với thời gian đóng ngắt
mạch (switching time) khoảng milliseconds của transistors ở thời điểm
lúc đó, switching time của tunnel diodes vào khoảng picoseconds là một
thành quả rất đáng kể. Yếu điểm của tunnel diodes là
v́ đây là linh kiện điện tử hai cực (two terminal device) không
thể dễ dàng dùng trong việc khuếch đại (amplification) như
transistor- một linh kiện điện tử ba cực. Mặc dù vậy tunnel diode
chứng tỏ sư thành công hiện tương quantum mechanics trên phương
diện thực nghiệm.
H́nh 6 (bên trái): Cơ cấu vận
hành của diode thông thường và tunnel diode; (bên
phải):
H́nh 7: Bản tóm tắc tài liệu liên quan đến tunnel diodes của Esaki và Noyce [9]
Chúng tôi khuếch đại phần nguyên lư “quantum mechanics”- h́nh bên trái - và đặc tính I-V (nằm ở h́nh bên phải) của H́nh 7, như được diễn tả ở h́nh 8 để dễ cắt nghĩa hơn.
H́nh 8. (a) Khuếch đại phần cơ câu hoạt động (phần bến trái) và (b) đặc tính I-V (phần bên phải) của H́nh 7. Nguyên lư hoạt động có thể cắt nghĩa như ở H́nh 9.
H́nh 9. Biểu đồ năng lượng (band diagram) của tunnel diode trong sổ tay của Robert Noyce.
Trong quyển sổ tay của Noyce, biểu đồ năng lượng khi chất bán dẫn loại P tiếp xúc với chất bán dẫn loại N với lượng dopants cao được biểu hiện ở H́nh 8 và khuếch đại ở H́nh 9. Hạt electrons tự do nằm ở mức năng lượng thấp hơn mức năng lượng của lỗ hổng (hole). Noyce ly luận rằng Fermi level bên phía N có thể được nâng cao bằng cách áp đặt điện áp dương (forward bias) ở phía bán dẫn loại P cho đến khi mức năng lượng của hạt electrons và của lỗ hổng (holes) có thể điều chỉnh để nằm ngang hàng nhau, cho ra một ḍng điện tunen (tunneling current). Cũng trong quyển sổ tay của Noyce (h́nh bên phải của H́nh 8) , tunnel diode bắt đâu với ḍng điện cao, tỷ lệ với sư gia tăng điện áp. Sự tiếp tục gia tăng điện áp cuối cùng sẽ dẫn đến một điểm mà mật độ của hạt electrons nằm cùng một mức năng lượng với holes sẽ giảm. Kết quả là ḍng điện tunen của tunnel diode sẽ giảm và chỉ gia tăng trở lại khi linh kiện điện tử này bắt đầu hoạt động trở lại như một điốt b́nh thường.
4. Lời kết Về lănh vực khoa học và kỹ thuật, “những người được chọn nhận giải Nobel phần lớn đều có những đóng góp quan trọng trong lănh vực chuyên môn của họ; nhưng không phải ai đóng góp nhiều đều được có vinh dự này”. Cũng như những giải thưởng khác, việc được chọn nhận giải Nobel tùy thuộc vào nhiều yếu tố chẳng hạn như : công tŕnh & thành tích đóng góp, lănh vực đóng góp, thời điểm được chọn, thành phần hội viên có quyền quyết định của Hàn Lâm Viện Thụy Điễn , người đứng ra đề cử, và yếu tố “may mắn” nữa. Nói chung, việc được chọn lựa để lănh giải thưởng Nobel là kết quả của sự phán đoán “chính xác” và điều may mắn đúng thời cơ. Đôi khi phần “may mắn” đóng vai tṛ c̣n then chốt họn là phần ‘phán đoán chính xác”. Trường hợp của Robert Noyce có lẽ là v́ “cái cơ duyên” có đến, nhưng “không chịu ở chung thủy” với ông?! Ông được cái duyên đến làm việc cho Shockley , cộng tác với Bell Labs và “the Fairchild Eight”, nhưng lại không đi được đoạn cuối cùng để được “vinh danh” với ước mơ nhiều người mong muốn: ” Ông mất năm 1990, mười năm trước khi Jack Kilby lănh giải Nobel về vật ly về mạch tích hợp vào năm 2000; và không được lănh giải Nobel vế Tunnel diode cùng với Esaki v́ không tiết lộ phát minh của ông cho cộng dồng khoa học đủ sớm, v́ những lư do mà ông không thể kiểm soát được. Ngẫm nghĩ sự đời “được cái này th́ mất cái kia” chớ ít ai được mọi thứ cả. Âu cũng là “Nguyên Ly Bảo Toàn Vận Mệnh” vậy!
5. Tài liệu tham khảo
[1]
Leslie Berlin, “The
Man Behind the Microchip”. , Oxford University
Press , 200
T.T.N
|
