Bóng bán dẫn chân không: Thiết bị làm từ… hư vô

Bài liên quan

Công nghẽ bóng bán dẫn chân không kỳ lạ này và MOSFET một ngày nào đó có thể thay thế silicon truyền thống

Tháng 9 năm 1976 khi Chiến tranh Lạnh đang diễn ra căng thẳng, Victor Ivanovich Belenko – một phi công Xô Viết bất mãn với chế độ - đã tự ý rời bỏ lộ trình bay tập luyện trên vùng trời Siberia và lái chiếc MiG-25 Foxbat của mình bay thấp qua vùng biển Nhật Bản để tới một sân bay dân sự tại Hokkaido. Khi hạ cánh, chiếc máy bay chỉ còn đủ nhiên liệu để vận hành thêm 30 giây nữa mà thôi. Với phương Tây, sự kiện này đã đem lại một lợi ích lớn – đặc biệt là với các nhà phân tích quân sự Mỹ. Họ đã có cơ hội khám phá cận cảnh chiếc máy bay tiêm kích tốc độ cao này của Xô Viết. Trong con mắt của họ, đây là loại vũ khí hàng đầu trên bầu trời thời bấy giờ. Thực tế, những thứ được tìm thấy đã khiến họ phải kinh ngạc – theo một hướng trái ngược với mong đợi!

Máy bay tiêm kích MiG-25 Foxbat

Điều gây sốc nhất cho Mỹ chính là việc chiếc MiG-25 Foxbat lại… không hề sở hữu những công nghệ tiên tiến như họ nghĩ. Thân vỏ của máy bay được sản xuất thô sơ hơn nhiều so với các máy bay Mỹ với phần lớn kết cấu làm từ thép thay vì titan. Bên cạnh đó, hệ thống điện tử của nó cũng dựa trên bóng đèn chân không thay vì bóng bán dẫn. Sau một thời gian nghiên cứu và vượt qua sự sợ hãi cố hữu, Mỹ đã đi tới kết luận rằng ngay cả những công nghệ hàng đầu của Xô Viết vào thời bấy giờ cũng đã quá cũ kĩ và lạc hậu so với phương Tây.

Thực tế, tại Mỹ, các bóng chân không đã có mặt trong các thiết bị tĩnh với yêu cầu thấp về năng lượng từ hai thập kỉ trước đó, không lâu sau khi William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain tạo ra bóng bán dẫn đầu tiên tại phòng thí nghiệm Bell năm 1947. Tới giữa thập kỉ 70 – khi chiếc máy bay Xô Viết được đưa về - những bóng chân không dạng này chỉ còn nằm trong các thiết bị điện tử chuyên dụng tại các quốc gia phương Tây mà thôi (không tính đèn hình trong các loại tivi). Ngày nay, các loại linh kiện này gần như biến mất. Ở góc độ nào đó, có thể nói rằng bóng chân không là một công nghệ đã tuyệt chủng. Tuy nhiên, mới đây những nghiên cứu mới về chế tạo đã khiến nhiều người phải sửng sốt khi chỉ một thay đổi rất nhỏ trong việc chế tạo mạch tích hợp có thể “tái sinh” lại các thiết bị chân không với hiệu quả không ngờ.

Tại trung tâm nghiên cứu Ames của NASA, các nhà khoa học đã mất vài năm để phát triển bóng bán dẫn kênh chân không (Vacuum-channel transistors). Những nghiên cứu – dù vẫn ở giai đoạn sơ khai – nhưng đã tạo ra mẫu thử nghiệm rất nhiều tiềm năng . Về mặt lý thuyết, bóng bán dẫn kênh chân không có thể vận hành nhanh hơn 10 lần so với bóng bán dẫn slilicon trên các thiết bị điện tử hiện nay. Nó cũng có thể vận hành ở mức xung nhịp tính bằng Terahertz (1 THz = 1.000.000 Mhz) – điều mà linh kiện tĩnh thể rắn không thể mơ tới. Khả năng chịu nhiệt và bức xạ của linh kiện chân không cũng cao hơn rất nhiều. Để có thể hiểu rõ hơn về đặc tính của bóng bán dẫn kênh chân không mới, chúng ta sẽ cùng điểm lại chút ít về thiết kế nguyên gốc cũng như chức năng của bóng bán dẫn cũ trước đây.

Bóng bán dẫn với kích thước bằng ngón tay cái thực tế đã có mặt trong radio, TV ở nửa đầu thế kỉ 20 với chức năng kích tín hiệu. Tuy nhiên, trong khi dường như chúng không mấy liên quan tới bóng bán dẫn MOSFETs (Metal-oxide semiconductor field-effect transistors) thường có mặt trong các thiết bị số hiện đại, cả hai đều chia sẻ những điểm tương đồng nhất định. Trước tiên, chúng đều là thiết bị với ba điểm đầu cuối. Điện thế được đặt vào một điểm đầu - mạng lưới đối với một ống chân không ba cực (triode) đơn giản hay cổng của một MOSFET –điều khiển lượng điện di chuyển giữa cả hai: từ cực âm đến cực dương trong bóng chân không, và từ điểm nguồn tới điểm thoát trong MOSFET. Mô hình này cho phép cả hai linh kiện vận hành như một thiết bị khuếch đại tín hiệu (amplifier) và nếu đủ mạnh, chúng có thể đóng vai trò như một công tắc. Tuy nhiên, phương thức dòng điện di chuyển trong bóng chân không rất khác với bóng bán dẫn. Trong khi các loại bóng chân không dựa vào quy trình nhiệt xạ, làm nóng cực âm để nhả electron vào môi trường chân không xung quanh thì với bóng bán dẫn là sự di chuyển và truyền đi của các electron (hoặc các điểm trống thiếu electron) giữa nguồn phát và điểm thoát qua các lớp ngăn cách bằng vật liệu bán dẫn thể rắn.

Tuy nhiên, một câu hỏi đặt ra là nếu bóng chân không thực sự ưu việt hơn những linh kiện thể rắn như bóng bán dẫn, tại sao nó lại bị lấn lướt trong suốt nhiều thập kỉ qua? Thực tế, các loại bóng bán dẫn có ưu thế về chi phí sản xuất, kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ cao, hiệu quả hoạt động lớn, độ bền bỉ cao, độ tin cậy và ổn định tốt. Tuy nhiên, ngoài những điều này, nếu chúng ta xem xét bóng bán dẫn hay bóng chân không đơn thuần là trung gian cho việc di chuyển điện, bóng chân không chiến thắng tuyệt đối. Nguyên nhân nằm ở việc các electron có thể di chuyển hoàn toàn tự do trong môi trường chân không – tốt hơn rất nhiều so với vô số các rào cản của nguyên tử trong một môi trường thể rắn. Thêm vào đó, môi trường chân không cũng không bị ảnh hưởng từ bức xạ - thứ luôn gây rắc rối cho các loại linh kiện bán dẫn. Những yếu tố ưu việt khác của môi trường chân không còn có thể điểm tới gồm cả độ nhiễu thấp, độ sai lệch nhỏ hơn rất nhiều so với vật liệu thể rắn.

Trong khi đó, nhược điểm của bóng chân không sẽ không quá đáng nếu bạn chỉ dùng chúng trong các thiết bị điện tử dân dụng như radio hay TV. Tuy nhiên, sự rắc rối lại xuất hiện khi tích hợp linh kiện này trong các mạch phức tạp hơn. Trong chiếc máy tính ENIAC 1946 với 17.468 bóng chân không, những số liệu vận hành của nó có thể coi là “khủng khiếp” với mức tiêu thụ điện 150 kW, nặng 27 tấn và chiếm gần 200 mét vuông diện tích đặt. Đó là chưa kể tới việc hỏng hóc liên tục khi cứ một hoặc hai ngày lại có bóng bị hỏng.

Sự ra đời của bóng bán dẫn đã chấm dứt những rắc rối như đề cập tới ở trên. Tuy nhiên, những thay đổi lớn tiếp theo trong ngành điện tử lại không đến từ những ưu thế riêng của vật liệu bán dẫn mà lại từ các quy trình sản xuất mà con người đã phát triển, điển hình là công nghệ khắc hoá học (khắc lên wafer silicon). Trong bối cảnh công nghệ chế tạo mạch tích hợp phát triển, ngày càng có nhiều bóng bán dẫn được tích hợp lên vi mạch và những vi mạch này ngày càng phức tạp hơn sau mỗi thế hệ có mặt. Ở một góc độ nào đó, có thể nói rằng nhờ vậy mà những thiết bị điện tử ngày càng nhanh hơn dù không tốn thêm chi phí. Cũng chính những lợi ích về tốc độ lại xuất phát từ việc bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn, cho phép khoảng cách di chuyển của electron ngắn lại. Hệ quả là việc bật tắt các bóng bán dẫn đã trở nên nhanh hơn rất nhiều. Trong khi đó, bóng chân không lại rất cồng kềnh và phải được chế tạo đơn lẻ thông qua máy móc cơ khí. Chính vì thế, dù vẫn có những sự cải thiện nhất định trong thời gian vừa qua, bóng chân không không thể đạt được tốc độ phát triển mạnh như bóng bán dẫn với định luật Moore.

Dù thế, sau bốn thập kỉ rút gọn, loại bóng bán dẫn đã gặp phải một vấn đề không nhỏ khi lớp ô xít ngăn cách giữa các cổng điện cực của một MOSFET chỉ còn dày vài nanomet. Trong khi đó, khoảng cách giữa hai điểm nguồn và thoát cũng chỉ còn vài chục nm. Như thế, trong khi mô hình bóng bán dẫn truyền thống đang ngày càng tiến gần tới giới hạn, nhu cầu về chip xử lý nhanh và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn vẫn ngày càng lớn hơn. Từ đó, vô số các hướng giải quyết với những công nghệ vi sợi, bóng nano carbon… đã được tính tới. Tuy nhiên, chưa có một giải pháp nào trong số này đạt được mức thuyết phục đủ lớn để xoay chuyển tình thế của ngành công nghiệp bán dẫn.

Trong khi đó, các nhà khoa học với cảm hứng của các loại bóng chân không đã tiếp tục theo đuổi một giải pháp mới tiềm năng thay thế hiệu quả loại MOSFET: bóng bán dẫn kênh chân không. Đây là sự kết hợp giữa công nghệ bóng chân không truyền thống và công nghệ bán dẫn hiện đại. Sự lai tạo thú vị này đã cho phép tập hợp những ưu điểm tốt nhất của cả hai lại trong khi vẫn duy trì được kích thước nhỏ và chi phí sản xuất thấp như của các linh kiện tĩnh thể rắn hiện nay. Ở một góc nhìn đơn giản nhất, việc thu nhỏ bóng chân không truyền thống như thế này dường như là một hướng đi rất hợp lý và giải quyết được điểm yếu cố hữu của chúng.

Quay trở lại với thiết kế của bóng chân không. Bên trong nó là một dây tóc điện (gần tương tự như sợi dây tóc trong bóng đèn sợi đốt thông thường) được sử dụng đốt nóng cực âm đủ để nó nhả ra các electron. Đặc điểm này khiến cho bóng chân không cần một thời gian khởi động nhất định và tiêu tốn nhiều năng lượng – trong khi lại dễ cháy (thường là do rò rỉ trên lớp vỏ thuỷ tinh). Ở bóng bán dẫn kênh chân không, cả hai thành phần này đều không cần thiết. Với kích thước đủ nhỏ, trường điện từ trên nó đủ để rút các electron từ điểm nguồn – quy trình được biết đến với tên gọi trường phát xạ. Bên cạnh đó, việc loại bỏ các thành phần sinh nhiệt và tiêu tốn năng lượng cũng làm giảm diện tích của mỗi bóng bán dẫn mới trên chip, cho phép tạo ra một thế hệ bóng bán dẫn tiết kiệm năng lượng mới.

Tuy nhiên, để đạt được thiết kế lý tưởng, các nhà khoa học vẫn phải vượt qua nhiều rào cản. Trước tiên, phải đảm bảo được môi trường chân không đủ tốt với áp suất không khí vào khoảng 1/1000 hoặc tương đương để tránh va chạm giữa các electron và phân tử khí. Với áp suất cực thấp, trường điện từ sẽ khiến các ion dương sinh ra từ khí dư thừa trong ống tăng tốc và công kính cực âm, có thể phá huỷ cực này. Một trong những hướng tiếp cận là thu nhỏ khoảng cách giữa hai cực dương – âm nhằm rút ngắn khoảng cách mà electron phải di chuyển trước khi chạm phải bất cứ phân tử khí nào. Trong điều kiện áp suất không khí thông thường, khoảng cách này sẽ là 200 nanomet – khá lớn so với các loại bán dẫn hiện tại. Nếu thay bằng khí helium, mức giảm xuống 1 micromet – đồng nghĩa với việc một electron có thể di chuyển 100 nanomet mà chỉ có 10% nguy cơ va chạm với một phân tử khí. Tiếp tục thu nhỏ khoảng cách, có thể giảm thiểu tối đa nguy cơ va chạm tới ngưỡng mong muốn.

Tuy nhiên, dù tỉ lệ va chạm có nhỏ đi đâu chăng nữa, sẽ vẫn có nhiều electron va chạm với phân tử khí, tạo ra ion dương và bay thẳng tới cực âm, gây ra hiện tượng ăn mòn tương tự. Với điện thế thấp, các electron sẽ không có đủ năng lượng để ion hoá khí heli. Vì thế nếu khoảng cách giữa các bóng bán dẫn chân không nhỏ hơn hành trình của electronvà điện thế sử dụng đủ thấp, linh kiện sẽ vận hành tốt ngay cả ở áp suất không khí thông thường. Điều này tương đương với việc bạn không còn cần duy trì bất cứ môi trường chân không nào khi thu nhỏ thành công bóng chân không truyền thống theo phương thức mới. Thế nhưng, liệu việc tắt/bật loại bóng bán dẫn mới này có đơn giản hay không?

Ở bóng chân không ba cực, dòng điện chạy qua được điều khiển thông qua điện thế áp lên lưới giữa hai cực. Việc đặt lưới này gần với cực âm sẽ cho phép kiểu soát tĩnh điện tốt hơn – bất chấp khoảng cách gần sẽ tăng dòng điện di chuyển vào nó. Trong khi đó, điều kiện lý tưởng nhất là lưới này không bị ảnh hưởng bởi bất cứ dòng điện nào bởi chúng đều tiêu hao năng lượng có thể làm bóng bán dẫn bị hỏng. Tuy nhiên trên thực tế, đó là thứ không thể triệt tiêu một cách tuyệt đối. Để hạn chế, việc kiểm soát dòng điện được các nhà khoa học thực hiện với phương thức tương tự như với MOSFET truyền thống với các cổng điện cực có lớp vật liệu cách điện điện môi (Silicon Dioxide) nhằm tách nó khỏi các kênh điện. Lớp vật liệu cách điện này sẽ truyền điện trường tới nơi cần thiết trong khi vẫn đảm bảo ngăn được dòng điện chạy các cổng điện cực.

Như vậy, công nghệ bóng bán dẫn kênh chân không không phải là thứ gì đó quá phức tạp. Quy trình hoạt động của nó thậm chí còn đơn giản hơn bất kì biến thể bán dẫn nào từ trước tới nay. Dù việc nghiên cứu nó còn khá sơ lược, nhiều ý kiến phân tích tỏ ra tin tưởng vào tương lai của công nghệ này và một ngày nào nó đó nó có thể tạo ra thay đổi lớn đối với ngành công nghiệp điện tử - đặc biệt là ở những lĩnh vực yêu cầu tốc độ xử lý. Những mô hình thử nghiệm ban đầu cho thấy việc tạo ra thiết bị vận hành ở xung nhịp 460 GHz – tức là gấp 10 lần giới hạn các loại chip bán dẫn silicon hiện nay – là hoàn toàn khả thi. Thêm vào đó, nó cũng đồng nghĩa với việc bóng bán dẫn kênh chân không là lối đi đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong thứ thường được gọi tên là khoảng cách Terahertz – một phần của quang phổ điện từ nằm trên mức của vi sóng và dưới hồng ngoại.

Những tần số kiểu như vậy (nằm trong ngưỡng từ 0,1 tới 10 THz) rất hữu ích cho việc phát hiện vật liệu độc hại hoặc đảm bảo bảo mật cho các kết nối viễn thông tốc độ cao. Tuy nhiên, tận dụng được tần số siêu cao này là điều còn khó khăn khi các loại linh kiện bán dẫn truyền thống không thể thu /phát được tần số này – khoảng trống mà các loại bán dẫn chân không lại có thể đáp ứng được. Các loại linh kiện bán dẫn mới này cũng sẽ có mặt trong các bộ vi xử lý trong tương lai bởi quy trình sản xuất chúng hoàn toàn “tương thích” với CMOS hiện nay – dù vẫn vướng một vài trở ngại cần phải khắc phục.

Kế tiếp sau việc hoàn thiện vật liệu bán dẫn kênh chân không là khả năng tích hợp số lượng lớn các bóng này lên một mạch tích hợp. Để tiếp cận mục tiêu này, các nhà khoa học sẽ xem xét sử dụng nhiều công cụ thiết kế với sự trợ giúp của máy tính và phần mềm giả lập dùng cho việc thiết kế IC CMOS. Tuy nhiên, họ cũng cho biết trước khi có thể thực hiện điều này, việc tối ưu hoá mô hình máy tính sao cho phù hợp với bóng bán dẫn mới là bắt buộc. Ngoài ra, các quy tắc thiết kế cho việc kết nối chúng lại với nhau là không thể bỏ qua. Đó là chưa kể tới việc xác định một phương thức đóng gói cho những bóng bán dẫn chưa đầy khí heli ở áp suất 1 atmosphere – thứ mà theo họ, có thể mượn từ công nghệ đóng gói hiện tại cho các loại cảm biến vi điện tử như cảm biến gia tốc hay con quay hồi chuyển hiện nay.

Cho dù thế nào, chúng ta cũng phải thừa nhận rằng các nhà khoa học sẽ còn rất nhiều việc phải làm trước khi có thể hình dung về một sản phẩm thương mại mới dựa trên công nghệ bán dẫn kênh chân không. Nhưng một khi điều này trở thành hiện thực, thế hệ mới của các thiết bị điện tử chân không chắc chắn sẽ đem lại những ngạc nhiên lớn. Hãy chuẩn bị tinh thần cho chúng bởi nếu không, bạn có thể nhận lấy những cảm nhận bẽ bàng tương tự như những gì các nhà phân tích quân sự phải gánh khi dám “coi thường” giải pháp của máy bay Liên Xô năm 1976. Họ sau đó đã cay đăng nhận ra rằng hệ thống bóng điện tử chân không của MiG-25 có thể chịu được các xung điện từ một vụ nổ hạt nhân tốt hơn bất cứ thứ gì phương Tây có được trong các loại máy bay của mình!.