Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 84 1951 – 1960
Vật lí học và Sự phát triển
những công nghệ mới Vào giữa thế kỉ thứ 20, các nhà vật lí tự thấy họ đứng tại giao lộ giữa một bên là
nhà khoa học, và một bên là người công dân. Nền khoa học của họ đã giữ một vai trò quan
trọng trong việc kết thúc Thế chiến thứ hai, nhưng lúc này nhiều nhà phát triển của bom
nguyên tử đã đi vào hoạt động chính trị phản đối chương trình nghiên cứu vũ khí hạt nhân.
Họ cảnh báo về một loại hình chiến tranh mới có thể phá hủy bản thân nền văn minh của
chúng ta.
Những người khác thì xem việc ngừng nghiên cứu vũ khí là một sai lầm. Không có
quốc gia nào có thể ngăn những kẻ thù mình phát triển những hệ thống vũ khí có nhiều sức
mạnh hơn. Do đó, nghiên cứu vũ khí hạt nhân là cần thiết để tự vệ. Trong thế giới thời hậu
chiến, những khối liên minh mới, đứng đầu là Mĩ và Liên Xô, đang tăng cường bước vào
một loại hình kình địch mới. Chiến trường của cái gọi là chiến tranh lạnh này là hệ tư
tưởng, chủ nghĩa tư bản chống lại chủ nghĩa cộng sản. Mỗi bên lúc này đang trút hết tài
nguyên của mình thành công nghệ để chứng minh cho sự ưu việt của hệ thống chính trị của
bên mình. Họ đang chạy đua phát triển bom khinh khí – những thiết bị nhiệt hạch, giống
như Mặt trời, tạo ra từ những phản ứng hợp nhất hạt nhân – và những tên lửa đạn đạo có
thể mang những quả bom đó đi xa đến nửa vòng trái đất.
Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 85
Cho dù có tham gia hoạt động chính trị hay không sau khi chiến tranh kết thúc, đa
số các nhà vật lí vẫn hăm hở quay lại với những hứng thú nghiên cứu thời tiền chiến của
mình. Một số thì theo đuổi khoa học cơ bản, còn những người khác thì thích nghiên cứu

Điều đó bắt đầu thay đổi vào tháng 11 năm 1954, khi công ti Regency bắt đầu bán
ra sản phẩm radio bỏ túi TR-1 có transistor thay cho ống chân không với giá 49,95 USD,
cỡ bằng số tiền trung bình một người công nhân kiếm được trong một tuần. Trong vòng vài
năm, các nhà sản xuất đã học được những cách sản xuất transistor với chi phí thấp hơn
nhiều. Những máy radio transistor buổi đầu phổ biến đến mức vào đầu những năm 1960, từ
transistor hầu như trở nên đồng nghĩa với “radio bỏ túi”. Người ta nói tới việc nghe
“transistor” của họ. Mười năm sau đó, ống chân không không còn được sản xuất nữa,
ngoại trừ dùng trong thiết bị chuyên dụng.
Vào cuối những năm 1950, đa số mọi người đã biết rằng transistor đang thay thế
ống chân không trong các bộ ti vi, nhưng ít người biết về một sự biến đổi đáng kể hơn
nhiều trong ngành công nghệ chất rắn. Với transistor thay thế cho ống chân không, các
máy vi tính nhanh chóng đòi hỏi ít năng lượng cấp và bảo dưỡng hơn, chạy nhanh hơn
nhiều, và có nhiều khả năng hơn. Cuộc cách mạng số đã bắt đầu.
Như đã lưu ý, William Shockley, Walter Brattain, và John Bardeen cùng nhận giải
Nobel vật lí 1956 cho việc phát minh ra transistor khi họ đều đang làm việc tại Phòng thí
nghiệm Bell. Nhưng lúc họ đi Stockholm nhận giải, họ không còn chung một đội nữa.
Bardeen đã trở thành giáo sư tại trường đại học Illinois, và chuyến đi đã làm gián đoạn
nghiên cứu của ông cùng với hai người học trò, Leon Cooper (1930– ) và J. Robert
Schrieffer (1931– ), khi họ đang ở bên bờ khai phá một trong những bài toán xưa nhất và
quan trọng nhất trong ngành vật lí chất rắn, đó là cơ chế của sự siêu dẫn.

Các nhà phát minh ra transistor (từ trái sang phải): John Bardeen, William Shockley,
và Walter Brattain trong phòng thí nghiệm. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)
Bardeen luôn theo đuổi những dự án vừa thách thức về mặt lí thuyết, vừa quan
trọng về mặt thực tiễn. Trong số những thứ ông say mê nhất là cái gọi là bài toán nhiều
vật, và không có lĩnh vực con nào của vật lí học lại đòi hỏi phân tích nhiều vật sáng tạo
Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 87
hơn vật lí chất rắn. Có lẽ nhiều hơn bất kì khoa học nào khác, vật lí học phụ thuộc vào các
mô hình toán học để biểu diễn và mô tả những hiện tượng tự nhiên. Các nhà vật lí thường
bắt đầu bởi việc lưu ý mối liên hệ toán học trong một tập hợp phép đo. Sau đó, họ đi tìm

Loại thứ nhất là đối với những electron liên kết với một nguyên tử, ví dụ những electron
thuộc lớp vỏ đã lấp đầy. Hàm sóng và mức năng lượng tương ứng của chúng có thể tính
toán ra từ mô hình bài toán hai vật chỉ gồm một electron và hạt nhân của nó. Hàm sóng cho
một electron như vậy tập trung xung quanh quỹ đạo của nó trong nguyên tử mà nó thuộc
về đó.
Những electron trong những liên kết hóa học có loại hàm sóng thứ hai. Những hàm
sóng đó có thể tính ra từ mô hình toán học liên quan đến một số ít vật – các electron tham
gia trong liên kết cộng với hạt nhân nguyên tử mà chúng kết hợp chung. Hàm sóng thu
được tập trung trong vùng các liên kết, như mô tả trong phần bổ sung “Các mức năng
lượng và hàm sóng electron chất rắn” ở trang sau. Những electron đó có các mức năng
lượng nằm trong dải hóa trị, đã mô tả ở chương 4. Phần bổ sung đó cũng mô tả loại hàm
sóng electron thứ ba, tương ứng với các mức năng lượng trong dải dẫn (như đã mô tả trong
chương 4). Các electron dẫn thuộc về mọi nguyên tử như nhau. Do đó, hàm sóng của
chúng tăng và giảm giống như sóng nổi trên một đại dương vô hạn, với hình dạng đỉnh
sóng và hõm sóng phù hợp với dạng tinh thể của nguyên tử trong chất rắn.
Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 88
Khi các nhà vật lí cất công tìm hiểu những tính chất của chất rắn, vấn đề trở nên rõ
ràng là nhiều hiện tượng – trong số chúng có sự dẫn nhiệt và điện; sự phản xạ, truyền, và
hấp thụ ánh sáng; và hành trạng từ tính của vật liệu – có liên quan đến các electron.
Nguyên lí loại trừ Pauli yêu cầu mỗi electron có một trạng thái lượng tử duy nhất và một
mức năng lượng tương ứng duy nhất, hoặc ở bên trong lớp vỏ chứa đầy của một nguyên tử,
là bộ phận của một liên kết hóa học với mức năng lượng của nó nằm trong dải hóa trị, hoặc
là một electron tự do với mức năng lượng nằm trong dải dẫn.

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

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
Lịch sử Vật lí thế kỉ 20 ◊ 89
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,


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.