Category Archives: 電的旅程

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 5 )＞……續上

就在蕭克萊集中精神發展電晶體理論時，接面電晶體的可行性在實驗中也得到了初步證明。但若要大量生產，材料及製作技術上還有很大的困難。貝爾實驗室一個很大的競爭優勢就是人才濟濟，各方面的專家都有，達到足夠的「臨界質量」。在化學部門有一個研究員叫提爾（Gordon Teal），他對提煉純淨及結構完善的鍺晶及矽晶經驗豐富，蕭克萊及布拉頓等很多人做實驗用的半導體材料，都由他供給。

鍺晶及矽晶經過純化及冷卻後，都凝固成多晶體，就是物質中含有不同的區域（晶粒），各個區域內都是排列完整的單晶，但各個區域的取向不同，在區域之間會產生晶界，內含結構上的缺陷，也是眾多雜質滯留的地方。製造出來的電晶體內部如果含有晶界，性能肯定不好。

1949年，提爾針對三十年前由一位波蘭材料科學家所發明的方法，提出了改良辦法，來製造結講上完全是單晶的鍺。他認為這樣可以改進半導體結構的完美性，進而優化電晶體的性能及良率。提爾首次提出時，蕭克萊不以為然，但提爾還是決心一意孤行。後來他得到了專門負責生產電晶體的莫頓的支持，在短期內很快就製成了完美的鍺單晶。用這些材料來生產點觸電晶體時，無論性能及良率都有明顯的提高，莫頓大為興奮，蕭克萊也不得不承認當初是他錯了。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 4 )＞……續上

在1948年這個發明還只是在理論階段，沒有實驗證明，但蕭克萊說服了管理階層，決定提前申請專利。這次在申請書上，發明人只有他一個人的名字。很多年後講起此事，蕭克萊喜歡指出一個當時激發他的因素，他稱之為「思考的決心」（will to think）。我們常常心中會有一些想法，但總是不能下決心去努力完成，不停拖延。如果有足夠的意志力，激勵自己去盡量發揮，一生中可以做成很多事。

1949年中，蕭克萊完成了p-n接面及接面電晶體的全部理論，成為半導體物理的經典之作，這些理論指導著往後六十年半導體元件和積體電路技術的發展。在理論研究過程中，蕭克萊非常有創意的將分析重點放在「少數載子」（minority carrier）的擴散及「場漂移」（field drift）規律上。提綱挈領，其他複雜的問題都迎刃而解，徹底而又精銳的闡明了半導體元件物理的基本原理，堪稱絕世傑作，為半導體元件設計及研發鋪好了扎實的理論基礎。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 3 )＞……續上

蕭克萊的發明是一個「三明治」式設計，頂層及底層都由n型半導體組成，在兩者之間有一層超薄的p型半導體。如果在中間一層注入微小的電流，則一個放大的電流會經頂層n型半導體流入底層的n型半導體。設計非常簡單，沒有「點接觸」及「表面」 等問題，避免了很多難控制的技術問題。這個新的電晶體設計被命名為「接面電晶體」（junction transistor）或「雙極電晶體」（bipolar transistor）。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 2 )＞……續上

就在巴丁與布拉頓第一次示範了點觸式電晶體後一星期，蕭克萊把自己閉關在芝加哥一家酒店的房間中，從1947年底到1948年初，日夜苦幹了十幾天，想出了一個全新的電晶體設計。他把思路整理清楚，清晰的闡述了他的新設計，又做了初步理論計算，認為想法有極大可能可以成功。新年過後回到貝爾實驗室，蕭克萊在一場會議上，聽取了一位同事關於研究過量電洞在n型鍺晶中擴散的實驗結果，把他心中最後一個疑題也解答了。就在這場會議上，蕭克萊發言了，他胸有成竹的描述了他的發明及相關的一切理論基礎，在場的同事們，包括巴丁及布拉頓在內，個個聽得面面相覷，瞠目結舌，因為這許多年來蕭克萊從來沒有跟任何人談起過這些想法。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜蕭克萊最後的微笑 ( 1 )＞

自從瞭解了歐爾在1941年發現的p-n接面現象後，幾年來蕭克萊腦中一直盤旋著很多想法，認為p-n接面是發展三極體的鑰匙。他雖然沒有系統性的去深思，但腦中有很多創意，像種子一樣在萌芽。然而戰後兩年，他分心太多，一直在忙一些看似重要、但實質上價值很低的事。受了巴丁及布拉頓成功的刺激，蕭克萊決定靜心坐下來，把很多自己的想法融合及發揮出來。同時，他也清楚看到巴丁及布拉頓的點觸電晶體在技術及理論方面有很多不足之處，他有信心自己的想法更好。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜電晶體技術大突破 ( 6 )＞續上

經過一年的努力，西電仍然不能正式量產商業性的電晶體元件，令很多人對電晶體的實用價值產生了懷疑。到了1949年底，生產部門的努力總算有了結果。西電把少數生產出來的點觸電晶體樣品，供給了國防部及一些重要客戶。但是每一枚生產出來的電晶體性能參差不齊，放大訊號時噪音也奇高無比。

在巴丁及布拉頓證實了半導體三極體放大現象後，貝爾實驗室馬上就著手進行專利申請。公司早年的成功源於擁有電話專利權，所以對專利權一貫極為重視。電晶體專利申請文件上的發明人，注明只有巴丁及布拉頓兩人。蕭克萊一見之下大表不滿，氣憤難平。布拉頓用坦率的牛仔作風，表明蕭克萊在發明過程中沒有直接參與，不應該列為發明人，為此蕭克萊和布拉頓產生了衝突。蕭克萊本來就是自視極高、難以相處的人，這個衝突愈演愈烈。管理階層為了安撫三人，尤其是蕭克萊，規定對媒體發表有關電晶體發明的照片中，一定要三人同在。於是後人看到的歷史照片，只見蕭克萊坐在實驗桌前，巴丁及布拉頓像學生一樣站在後面觀看。這張照片令布拉頓氣憤難當，一生未能釋懷。

為了安撫蕭克萊，管理階層又決定，將他早在1938年時提出用電場控制電晶體的概念，另外申請一個專利。但在申請過程中他們發現，二十年前就已有一個名不見經傳的人申請了類似的專利，所以申請的事不一定有把握，決定暫時擱置。蕭克萊眼見自己十多年來對電晶體研究的功夫白費了，發明的榮耀歸於小組裡兩位「下屬」，實在是難以咽下這口氣。不過在這關頭，蕭克萊做了一件了不起的事。……(完)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜電晶體技術大突破 ( 5 )＞續上

經過六個月的祕密工作後，在1948年6月30日，貝爾實驗室在AT&T紐約總部召開了一個記者招待會，向全世界正式宣布了這個新發明，並命名這個三極體為「電晶體」（transistor）。在發布會上，示範了用新電晶體組裝的收音機及擴音機，記者們可以聽到用新的電晶體所放大的音樂。在這些放大器中，記者看不到常見的真空三極管，只看到封裝在極細小鐵罐中的電晶體。儘管貝爾實驗室鄭重宣布電晶體的發明將把世界帶入一個嶄新的時代，但普羅大眾對這個宣布並不重視。第二天，《紐約時報》把這則新聞刊登在第46頁！

就這樣電晶體正式面世了，當時沒有人知道這新技術的產生對人類會有多大的影響，大家的想法只是電晶體可能逐步取代真空三極管。貝爾實驗室把西電的生產部門也拉了進來，全力發展點觸式電晶體的生產技術，由貝爾實驗室出名的能人莫頓（Jack Morton）來負責。這個新技術在生產製程上難度很高，因為變數很多，每一環節都不容易控制，元件的設計理論也不完善。莫頓帶領生產部門的工程師全力以赴，改良了很多當初的設計、製程及製作方法。這個過程令人回想到愛迪生的名言：發明的過程中，只有百分之十是靈感，其他百分之九十是汗水。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜電晶體技術大突破 ( 4 )＞續上

兩人在1947年12月23日第一次做測試，布拉頓小心的接上了電線，巴丁拿著筆記本站在他後方，緊張的觀看著儀器上的CRT。布拉頓先在第一個電極加上1伏特負電壓，然後在第三個電極上加上10伏特的正電壓，再把一個小的電流訊號串聯式的輸入到第一個電極上去。這時夢寐已久的情景出現了，巴丁只見螢光幕上出現了從第二極上輸出的放大訊號。世界上第一個固態訊號放大器誕生了！這是歷史性的一刻，兩人面目相對，百感交集。巴丁當天晚上回到家，在廚房中對太太說：「今天做了一件大事！」巴丁為人極低調，在家中從來不提公事，他太太知道這事一定不同尋常。布拉頓也在回家的公司車子上，告訴同事今天做了一件可能改變世界的事，布拉頓一晚不能入睡。

研究小組知道此事的人，無不興奮激動，但為謹慎起見，大家決定先保守祕密，不告訴凱利。接著大家小心的重複了實驗上的每一個細節，兩星期後，等一切都萬無一失，才報告凱利。凱利雖然有些不悅，但對這個重要的成就還是萬分興奮。他歷時十二年的夢想終於成真，同時證明他帶領多年的研究方向是正確的。他命大家絕對保密，同時增加了研究人員，大家一起改良了很多設計上的細節，包括晶片的封裝技術。凱利還通知了國防部，希望不要把這個新技術列為軍事機密，幸好軍方表示不反對。另一件重要的事是即刻著手申請專利權。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜電晶體技術大突破 ( 3 )＞續上

就這樣一年多過去了。到了1947年的深秋，布拉頓發展出一種用光來測試表面電子層的方法，加速了實驗的進度。他在一個偶然的機會發現，有一層水汽凝結在一片鍺晶的表面上，結果表面電子對外界電場的影響大為減少。他再進一步把鍺晶片浸在電解質溶液中，溶液內的正離子將半導體表層的電子中和了，結果外界施加的電場可以穿透半導體的表面，而影響到內部的導電性，證明了蕭克萊當初場效三極體概念的可行性。巴丁及布拉頓對這個突破非常興奮，接著再做了幾個重要的實驗，最後把所有的知識融合貫通起來，重新設計了一個元件。

他們首先選用了一片n型的鍺晶，經過特別處理後，將表面一層極薄的材料轉變成p型，再在鍺晶片的背後鍍上一層金膜，做為三個電極中的一極。然後，布拉頓設計了一塊三稜體的塑膠，將一層薄薄的金膜鍍在三稜體兩邊的長方形側面上。他再用刀片沿著頂端的稜線把金膜小心切開，使得頂端兩邊的金膜不再相連。最後他把這個三稜體的頂端牢牢的用彈簧壓在鍺晶片上，讓兩邊的金膜各自點觸到鍺晶的表面，形成兩個長而狹的電極，中間分界只有50微米（微米等於一百萬分之一公尺）。從其他實驗上他們知道，這兩電極間的距離必須極短，這是一個很大的關鍵。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜電晶體技術大突破 ( 2 )＞續上

戰後凱利把貝爾實驗室重組，成立了新的固態電子研究組，由蕭克萊任兩位組長之一，專負責技術研發。巴丁、布拉頓及很多出色的科研成員都成了蕭克萊團隊的隊員。巴丁和布拉頓商量，怎樣重新開啟因為戰爭而停頓的三極體研究項目。兩人決定從1938年蕭克萊提出的「場效三極體」（field-effect triode）概念重新做起，對這個建議，蕭克萊當然表示充分支持。在1946年，布拉頓已不再需要用氧化亞銅這個難以捉摸的半導體了，高純度的矽及鍺性能遠為優越。經過二次大戰後，因發展雷達的需要，半導體元件的材料及工藝技術已大有進步。

布拉頓很快用高純度、結構完美的鍺及矽製成了場效三極體試驗元件。當他和巴丁一起測試時，結果卻和七年多前用氧化亞銅的實驗一模一樣，第三極的電場對鍺或矽晶片的電阻毫無影響。兩人仔細分析了結果，巴丁提出失敗的原因是：第三電極產生的電場無法穿透在鍺或矽晶表面上一層被困牢的電子阻擋。為此巴丁發展了一套新的理論，探討了半導體表面受困電子的基本物理。

布拉頓及巴丁把他們的研究重心轉移到如何處理半導體表面的課題上，試圖找出如何減少表面電子層的影響。這是一個相當困難的技術問題，就算是在最優秀的理論家巴丁及最佳實驗能手布拉頓帶領下，進展仍舊緩慢，不過在這個時期，整個固態電子小組的成員合作愉快。蕭克萊個人興趣廣泛，忙著參加各種外界的學術活動，不過他的腦中還是一直想著p-n接面的應用。……(待續)