Category Archives: 電的旅程

「第十三章：電晶體的誕生」

＜電晶體技術大突破 ( 1 )＞

1945年戰爭終於結束了，蕭克萊和很多同事回到了久別的貝爾實驗室。除了老同事外，這次還多了不少「解甲歸研」的科學家及資深工程師，使固態電子研究的團隊更堅強了。新來的同事中，有一位名叫巴丁（John Bardeen），剛從海軍武器研究所出來。巴丁和蕭克萊一樣，也是固態物理理論專家。蕭克萊一直很欽佩巴丁在理論上的精銳見解，戰後親自說服了巴丁來參加他的團隊。

巴丁在1908年出生於美國威斯康辛州，父親是威斯康辛大學醫學院院長。他從小是個數學天才，十五歲不到就進了大學，學的是電機工程。畢業後在石油公司工作了幾年，專門分析油田地質結構數據。後來決定回學校繼續進修物理學，他選擇了普林斯頓大學，博士論文是在固態物理大師維格納（Eugene Paul Wigner）指導下完成。巴丁和蕭克萊性格完全不同，他為人謙和，異常低調，和布拉頓兩人一見如故，共用一間辦公室。除了工作外，他唯一的嗜好是在週末打一場高爾夫球。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜奇特的p-n接面 ( 5 )＞……續上

在這段時期，凱利命令大家對歐爾的奇特矽晶保密，在貝爾實驗室和其他公司及政府的技術合作與交流過程中不可提起，所以外界無人知曉。隨著對雜質在半導體中的功用認知及控制技術的不斷進步，大家意識到歐爾的矽晶片中有一部分是p型而另一部分是n型。矽晶在緩慢的冷卻過程中，雜質有足夠時間重新分布，本來在矽晶中平均分布的磷及硼原子給分開了，用硝酸處理後，用肉眼也可以看到p和n的接面。

p和n型的接面處，有一個自生的電場來平衡兩邊電子和電洞的密度，這個電場就是布拉頓所提出的電流障礙。當這個電場受外界因素而改變強度時，就會產生相對的電流，來重新找尋電子和電洞的動態平衡。用光照在這個接面上時，矽晶吸收光而產生的自由電子和電洞，間接影響了接面的電場強度，促生了相應的電流訊號。凱利當時的直覺沒有錯，歐爾觀察到的p-n接面現象為日後固態電晶體的發明，布下了一只重要的棋子。

蕭克萊人雖不在貝爾實驗室，但歐爾的發現令他興奮不已，心中浮起了很多模糊的概念，思考怎樣利用p-n接面來設計一個三極體。不過戰事仍在進行，雖然很嚮往回到貝爾實驗室繼續做研究，但時機尚未成熟。……(完)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜奇特的p-n接面 ( 4 )＞……續上

在這裡必須對半導體再做一些補充說明。矽是一種半導體，完全無雜質及結構完美的矽晶，在室溫下幾乎不導電，這是因為「能隙」的關係，矽晶內部沒有多少可自由流動的電子。但如滲入一些雜質，矽晶的性能就會改變。如果放入週期表中第五族的元素，如磷，這些雜質會產生可帶著負電荷流動的電子，使得矽晶可以導電，導電的程度直接和雜質的數量成正比。所需雜質的數量很微少，甚至一百萬個矽原子中滲入一個磷原子，對矽的導電性能也會有很大的影響。由此可見，如要可靠的控制半導體性能，材料技術必須達到很高的水平。

上面提到把磷原子放入矽晶中，會產生過多的電子，同樣的道理，如果放入週期表中第三族的元素，如硼，則會「吸收」矽晶中本來的電子而產生空穴。這些空穴也可移動，可看成是帶著正電荷流動的帶電體，學術上稱作「電洞」。所以在半導體中，同時有兩種不同的帶電體流動著，即是電子與電洞，而電子或電洞的數目多寡則取決於放入的雜質種類及數量。

研究團隊把電子超量的半導體稱為n型（negative），而把電洞超量的半導體稱做p型（positive）。歐爾的團隊和凱利的研究部門人員鼎力合作，使得這些知識及對雜質的控制技術一點一滴的積聚起來。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜奇特的p-n接面 ( 3 )＞……續上

凱利得知詳情後，意識到這個現象極有價值，可能是半導體這個謎團中的重要線索。凱利找來了研究部門所有重要的技術專家，來看歐爾的示範。當時蕭克萊已去了空軍，布拉頓雖已接到通知去海軍研究所報到，但還沒有離開。聽完歐爾的簡報後，布拉頓稍作沉思，提出了一個可能的答案：這片奇特的矽晶片中有一個電子流動的障礙，類似1938年蕭基敘述的金屬與半導體的交界面。當光被吸收時，產生的自由電子改變了這個障礙的高度，因而影響到內部電子的流動，產生電流訊號。至於為什麼有這個障礙呢？布拉頓懷疑，這和矽晶片中雜質的分布有關係。大家聽了都覺有理。歐爾同意和研究部門的人員繼續合作，共同解開這個謎題。凱利看到自己的團隊中有布拉頓這樣的人才，知識廣博，言之有物，在其他部門的同事前覺得非常有面子。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜奇特的p-n接面 ( 2 )＞……續上

1941年，留在貝爾實驗室有一組團隊，專門負責發展高頻率無線通訊技術。在接收器技術上，重點是提升點觸整流器性能的可靠度及良率，這個技術也可直接應用到微波雷達接收器上。負責這項目的是一位冶金材料工程師，名叫歐爾（Russel Ohl）。他有系統的比較了用各種半導體做成的點觸整流器，在過程中他發現，毫無疑問矽和鍺是最好的材料，遠比其他半導體優越。怪不得英國人老早就把矽的點觸器應用在雷達上。

但即使是用矽做成的整流器，同樣方法製造出來的元件，性能的優劣分布範圍仍很大。歐爾留意到，整流器的性能及良率和所用矽的純度有密切關係，於是他買來了當時最純的矽（99.99%純度），再在真空中加溫熔化，希望可以驅出雜質，增加純度。歐爾是冶金專家，知道在冷卻時需要緩慢的降溫，避免矽在凝固時碎裂。他把經過重新處理的矽切片打磨，再測試性能，希望看到改善。在一次實驗中，有些重新處理過的矽性能很奇怪，無法測試出電阻，更奇特的是，當有光照在上面時，竟然產生了很大的電流訊號。到底是怎麼一回事？歐爾跟他的上司討論之後，決定去找負責研究部門的凱利。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

＜奇特的p-n接面 ( 1 )＞

戰爭爆發後全國總動員，貝爾實驗室的技術人員很多受徵召，參加了各項緊急的軍事技術發展項目。蕭克萊先去了空軍研究室，參加了機載雷達轟炸瞄準器的發展。後來由於他卓越的數學能力，轉去國防部發展一門新技術，名叫「作業研究」（operations research，或叫「運籌學」），主要是用數學方法來統籌及規範大規模作戰行動及後勤調動，以期達到最佳效果。1944年，杜魯門總統想要知道，如果美軍登陸日本本土作戰，美軍的傷亡程度會有多高。蕭克萊和其他專家用作業研究方式做了深度分析，預測美軍傷亡會超過二百萬人。他們把結果寫進了報告，遞入白宮。杜魯門總統最後選擇對日本使用原子彈，結束了戰爭。……(待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

        ＜三極體概念 ( 4 )＞……續上

        1929年，布拉頓在明尼蘇達大學拿到物理博士後，就加入了貝爾實驗室。布拉頓對實驗方面具備特別的專長，手巧且充滿了創意，又有豐富的經驗及敏銳的直覺。他覺得以當時半導體的技術水準，蕭克萊的設計是不會成功的。不過他還是耐心照著這個趾高氣揚的年輕人的心願及設計，用他最熟悉的半導體氧化亞銅，製成了新的元件。蕭克萊興奮的觀看著布拉頓把電線接好，然後在第三極上緩緩的增加電壓。但是測量氧化亞銅電阻的儀表上，指針毫無動靜，氧化亞銅的電阻完全不受第三極上所加電壓的影響。蕭克萊的發明失敗了。這對布拉頓來說是意料中事，但對蕭克萊來說則相當失望，他瞭解到理論和實際上的鴻溝。

        當時半導體材料技術落後，空有最好的設計也無能為力。對下一步應該怎麼走，蕭克萊心中毫無頭緒。面對的技術問題太艱巨複雜，無從著手。就在這個時候，二次大戰爆發了，美國也很快參戰。…… (完)

「第十三章：電晶體的誕生」

        ＜三極體概念 ( 3 )＞……續上

        在這裡應該再解釋一下什麼叫半導體。

        大家熟知的固體物質有金屬及絕緣體。金屬一般都容易通電，絕緣體則不導電。在兩者之間自然界有另一類物體叫半導體，顧名思義，這種物質有的可導電，有些則不能。半導體導電的程度取決於很多因素，包括物質中微量的雜質、晶體結構的缺陷、表面的處理、外界的電場或溫度。因為變數極大，很難控制得好，所以半導體的性能變化無常，難於捉摸。礦石中，硫化鉛及氧化亞銅等都是半導體。這可解釋為什麼在點觸整流器中，很難用黃銅絲在礦石表面上找尋到理想的接觸點，因為甚至在同一塊物體上，表面上每一點的性能也有出入。在1930年代用半導體做整流器時，大部分是在碰運氣。隨著固態物理的發展，對半導體的認識大有進展，但對可影響半導體性能的各種變數，控制技術尚在初期階段，遠遠不足。

        蕭克萊對自己設計由電場控制的三極體充滿了信心，因為理論上應該是正確可行的。他自己動手做了實驗，但不成功。他自知實驗非他所長，於是找了布拉頓來幫忙。布拉頓1902年出生在中國廈門，他父親當時在中國教數學與物理。布拉頓一歲時就回到了美國，童年在美國華盛頓州父親所擁有的牧場上度過。他是個「牛仔」，性格獨立堅強，豪爽豁達。從小受父親影響，對物理有濃厚興趣，平常騎馬趕牛後，就玩他的礦石收音機。…… (待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

        ＜三極體概念 ( 2 )＞……續上

        蕭克萊從小聰敏過人，自視甚高，朋友不多。大學就讀於加州理工學院，為物理及數學打下了深厚的根底。他畢業後去麻省理工學院，跟隨固態物理大師斯雷特（John Slater）繼續進修，取了博士學位，決意在學術上做一番事業出來。在平常生活上，他喜歡面對挑戰，特別喜愛攀爬陡峭的石壁。他自稱人生最大享受是不用繩索，徒手在月夜攀登險壁。在新罕布夏州到現在還有一處凹凸難攀的險壁，以他的姓氏命名為Shockley Ceiling。他平常總是開著敞篷跑車風馳電掣，不受拘束。

        1937年，凱利說服了蕭克萊到貝爾實驗室工作，那時他才二十七歲。上班的第一天，凱利就勉勵他，希望用他的聰敏智慧發展出三極體，來取代真空三極管，再把這個技術應用到新一代的電話交換機上，為公司及社會帶來重大的貢獻。凱利對他的期待目標清晰，又充滿了挑戰，蕭克萊一生都對這席話念念不忘。凱利安排他在真空管研究小組，跟新任諾貝爾獎得主戴維生配合，但可自由涉足貝爾實驗室當時任何研究項目，讓他自己尋找機會。

        在所有研究項目中，蕭克萊對貝爾實驗室資深研究員布拉頓（Walter Brattain）發展的氧化亞銅半導體整流器技術，最感興趣。在1939年他花了幾個月時間，設計了一個初步的三極體，原理是用第三閘上的電場來調變一片氧化亞銅的電阻。這個概念是蕭克萊從德國科學家蕭基剛發表的論文〈金屬與半導體界面物理〉聯想而來的。…… (待續)

「第十三章：電晶體的誕生」

        ＜三極體概念 ( 1 )＞

        凱利上任不久，就開始四方物色理想的固態物理理論專才。貝爾實驗室在研究方面一直有崇高的名聲，而薪酬又較學術界高，1937年又出了一位諾貝爾物理獎得主戴維生（Clinton Davisson，證實電子的波粒二象性），所以對不少一流人物有吸引力，包括一些本來預備留在學術界的學者型人物。

        在所有新聘人員中，最有影響的莫過於蕭克萊（William Schockley）。蕭克萊在1910年出生於英國，父親是麻省理工學院畢業生，專業是開礦技術。蕭克萊家族是「五月花號」上最早的一批美國移民。母親是史丹福大學最早期的女性畢業生之一，學的是數學與藝術。父親年紀比母親大了二十五歲，一家人平常不太跟人來往。從英國回到美國後，蕭克萊在美國舊金山南面史丹福大學所在的帕羅阿托（Palo Alto）長大，這一點對後來矽谷電子工業的發展有著重大關係。…… (待續)