Category Archives: 電的旅程

「第十四章：電子工業起步」

        ＜矽晶登台 ( 4 )＞……續上

        1954年，提爾在德儀用拉單晶方法製成了世界上第一枚矽電晶體。在一次科技會議上，當大家還在寄望將來有人可用矽製成電晶體時，輪到提爾發言了。在他的演說中，先示範了用鍺電晶體做成的聲音擴大機，當他把鍺電晶體放入沸熱的水杯時，擴大器中播出的音樂消失了。提爾從容的把鍺晶體換成他從口袋中拿出來的幾個德儀新研發的電晶體，再投入沸水中，這時擴音機的音樂照樣播放，未受影響。在眾人的鼓掌聲中，他向大家宣布德儀已突破性的發展出矽電晶體。就這樣，提爾戲劇化的迎來了以矽為主體的電子時代，也為德儀在半導體工業界領先的地位跨出了一大步。……(完)

「第十四章：電子工業起步」

        ＜矽晶登台 ( 3 )＞……續上

        提爾加入德儀後，很快改良了電晶體的生產方式，更重要的是，開始發展用矽晶來做電晶體的技術。當時電晶體都用鍺晶來做，因為鍺晶在處理上比較容易。鍺的熔點低，只有攝氏900多度，而矽要攝氏1400多度；很多在鍺上可做到的技術，如區域精煉，在矽上就不能用。但這些都是可以解決的技術問題，不是基本限制。

        提爾在離開貝爾實驗室前，已對矽材料做了大量研究工作。用矽製成的電晶體，最大的優點是可在高溫（攝氏100度以上）運用，鍺電晶體到攝氏70度就沒有功能了，嚴重限制了應用範圍。同時矽是從沙中提煉出來的，用之不盡，成本比鍺便宜很多，且性能穩定、導熱度高、結構牢固。其實矽還有一個巨大的優勢，當時大家還不知曉，稍後將會在描述積體電路時再作分曉。……(待續)

「第十四章：電子工業起步」

        ＜矽晶登台 ( 2 )＞……續上

        大家還記得吧？德儀是1952年參加電晶體技術轉移的中小企業之一。他們先用貝爾實驗室的技術開始生產電晶體，後來德儀的海格提希望，在這個基礎上可以發展出屬於自己的技術來。在他的領導下，德儀成立了一個專門的研究所來推動這個策略。技術創新的成敗在很大程度上取決於研究人員的素質，德儀非常著意物色最理想的人才。海格提眼光獨到，看中了貝爾實驗室的提爾。提爾是第一個製造出接面電晶體的人，對於電晶體材料及製造技術上的每一細節，無一不曉，是發展產品的首選人才。他本來就在德州長大，現在有機會回家鄉大展抱負，何樂不為？……(待續)

「第十四章：電子工業起步」

        ＜矽晶登台 ( 1 )＞

        1954年有兩項重要的技術革新，使得電晶體生產成本大幅降低，同時擴大了應用範圍。

第一項是貝爾實驗室發展了一種高溫氣態「雜質擴散」（impurity diffusion）技術，可很精確的把硼及磷原子擴散到純淨的鍺晶片中去，製成大面積、高性能的p-n接面。

        隨著技術的進步，更可用兩步式的擴散技術生產接面電晶體。拉單晶生產接面電晶體時，每一根拉出來的單晶鍺柱中只能有一個p-n-p接面，所以成本很高。但如果把一根純淨的鍺柱橫切成很多片晶圓，再用擴散技術以及「光刻」（photolithography）及酸蝕技術，在每一片單晶鍺片上可製造出大量的電晶體，這個方法可以把成本降低數百倍，生產出來的電晶體性能也更均勻。擴散及光刻技術，很快就應用到電晶體生產線上去了。貝爾實驗室資深研究員皮爾森（Gerald Pearson）和他的團隊還發展了用在矽晶片上的擴散技術，製成了大面積的單晶矽太陽電池，能量轉換率在1954年就超過了6%，開啟了太陽能發電時代。

        1954年電晶體技術的另一個巨大突破，和貝爾實驗室只有間接關連。……(待續)

「第十四章：電子工業起步」

        ＜分享技術 ( 4 )＞……續上

        1953年電晶體工業開始起步，但是因為生產的良率低，每一枚電晶體要賣到20美元，而一只真空三極管當時只要1、2美元。不過電晶體的能量消耗低、壽命長、體積小，這些性能在很多軍事應用方面非常重要，價錢反而是次要的。當時韓戰剛結束，冷戰不停升級，武器系統的性能快速提升，對尖端電子元件的需求量極大，於是電晶體開始在軍用無線電、雷達及電腦中取代真空三極管的地位。軍事工業的需求，維持著電晶體工業早期的緩步發展及利潤空間。……( 完 )

「第十四章：電子工業起步」

        ＜分享技術 ( 3 )＞……續上

        摩托羅拉本來是一間專生產汽車收音機的中型公司，後來成功開發了裝在警車上的雙向無線電話。用這些產品為基礎，摩托羅拉在二次大戰期間成功發展了多種軍用無線通訊設備，戰後業務踏上了高速發展的軌跡。電晶體技術和公司在無線通訊上的需求相輔相成，所以業務發展得非常順利。

        德儀本來的產品是幾款探測石油用的聲波儀器，戰後營業額只有三百萬美元。但德儀管理階層在1946年出了一位傑出的領袖，名叫海格提（Patrick Haggerty），他看上了半導體工業的發展前途，把握了電晶體工業起步這個難逢的機會。德儀拿到電晶體技術後，就全心全力投入發展，穩紮穩打的從公司的組織結構及延攬人才做起，一切運作都充滿了自己獨特的風格，一度成為全世界最大的半導體公司，直到今天還是舉足輕重。

        電子工業的大規模發展，最重要的是矽谷的誕生，不過這件事與1952年貝爾實驗室的技術轉移沒有直接關係，反而又牽涉到蕭克萊身上了，後面會再詳述。……(待續)

「第十四章：電子工業起步」

        ＜分享技術 ( 2 )＞……續上

        1952年4月，一百多名來自世界各地和大約四十家企業的工程師，匯集在貝爾實驗室，接受為期十天的技術訓練，學習電晶體的原理及生產技術。貝爾實驗室很有誠意的傾囊相授，甚至包括怎樣製造及運用提爾的拉單晶設備。四十家參加的公司中，包括大企業如GE、IBM、RCA、西門子、飛利浦等，也包括當時還是中型公司的摩托羅拉、飛歌（Philco）、雷神（Raytheon）、希凡尼亞（Sylvania），以及當時名不見經傳的小公司，如德州儀器（Texas Instrument, TI，以下簡稱為德儀）。

        在1952年，貝爾實驗室這種形式的技術轉移會議，前後進行了四次，後來的參加者還包括日本一家小公司，名叫（東京通訊工業株式會社(Tokyo Tsushin Kogyo , 簡稱TTK）。值得深思的是，在後來電晶體工業發展過程中，早期參加的大公司都不算太成功。最成功的反而是中小型的摩托羅拉、德儀和日本的TTK。……(待續)

「第十四章：電子工業起步」

        ＜分享技術 ( 1 )＞

        隨著接面電晶體的發展及投產，電晶體技術的前途明朗化了。貝爾實驗室下一步應該怎麼走？電晶體的技術應該怎樣來推廣？

        貝爾實驗室和普通民營企業不同，是一家政府特准的壟斷企業的一部分，用在研究上的經費，來源是經政府批准、再附加在用戶的電話費上。所以廣義來說，貝爾實驗室不應該把這些技術據為己有，不與他人分享。另一方面，就算貝爾實驗室的母公司AT&T從電晶體技術上賺了大錢，這些利潤只會令政府調降電話費來維持適度的利潤，結果對公司沒有好處。況且在1949年，聯邦政府有意逼迫AT&T讓西電脫離，成為獨立公司，以減少壟斷性。

面對這些因素，貝爾實驗室樂得順水做個人情，決定開放電晶體技術的專利權。北大西洋公約國內的任何一家企業，只需繳25,000美元，就可獲得電晶體的製造技術及生產權。對很多有前瞻性的企業來說，這是千載難逢的機會。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 7 )＞……續上

1950年冬天，提爾示範了第一個用拉單晶技術製成的接面電晶體。到了1951年春天，接面電晶體的性能及良率在各方面都已經遠超過點觸電晶體，完全符合蕭克萊理論的預測，所以已可用理論來設計及生產各種不同性能的電晶體。

1951年6月，貝爾實驗室又在紐約舉行了記者招待會，鄭重推出了新的接面電晶體，宣佈了短期內量產的計畫，並開始接受訂單。這次會議距離第一次宣佈發明點觸式電晶體，已經整整三年。在記者會上，蕭克萊出盡風頭，但巴丁及布拉頓沒有出席。從此，接面電晶體完全取代了點觸電晶體。

不久巴丁離開了貝爾實驗室，加入伊利諾大學，從事超導體的理論研究工作。後來巴丁兩次獲得諾貝爾物理獎，一次是1956年，基於電晶體的發明，另一次是1972年，為他在超導體理論上的貢獻。巴丁是歷史上不可多得的科學家，也是一位謙謙君子，他在1991年逝世，享年八十三歲。

布拉頓留在貝爾實驗室，直到1967年才退休。他個人覺得1947年底發明電晶體的成功，有很多偶然因素，但重要的是心理上必須做好充分準備，才能把握機會，得到成功，所謂「偶然的機會獨鍾有心人」（Accidents favor the prepared minds.）。布拉頓退休後，回到家鄉教書，他最怕年輕人用可攜式電晶體收音機，到處播放震耳欲聾的搖滾樂。他口是心非的說，真後悔發明了電晶體！布拉頓在1987年逝世，活了八十五歲。……(完)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 6 )＞……續上

提爾所用的技術叫「拉晶法」。被「拉」出來的鍺或矽材料是圓柱形的，柱中所有原子都排列成完美的單晶，沒有任何晶界。拉晶過程完成後，再將單晶的圓柱切片打磨，一片片圓形的「晶圓」（wafer）可以用來製造電晶體。這個材料技術極為重要。用現代技術拉出的單晶矽圓柱，直徑可超過30公分。

除了拉單晶技術外，1950年貝爾實驗室還發展了另一項重要的材料技術，稱作「區域精煉」（zone refining），可以把鍺中的雜質減少到100億分之一以下，不可思議！發明人名叫范威廉（William Pfann），他中學畢業後就到貝爾實驗室工作，開始時專門為大家傳送郵件，後來在實驗室做初級助手，晚上去讀夜校繼續進修。范威廉手很巧，善於解決實際問題。在點觸電晶體發明後，范威廉負責發展一個把電晶體封裝的辦法，就是後來大家熟悉的小金屬罐及細金線與晶片焊結技術。不過，區域精煉技術更是重要。范威廉的技術成果完全是世界一流大師的作品，可見當時貝爾實驗室人才輩出，臥虎藏龍。

有了拉單晶技術，半導體結構達到完善。區域精煉技術更把半導體中的不良雜質減少到了極低的程度，從此電晶體生產過程中可以更有效的控制各種變數，良率不斷提高。在拉單晶的過程中，有機會向鍺或矽溶液多次添加所需的雜質，因而可有效控制在單晶圓柱的橫切面，形成均勻的p-n接面。再進一步也可形成p-n-p或n-p-n式的三明治式接面電晶體，中間一層的厚度可由單晶向上拉的速度精確控制。……(待續)