Category Archives: 電的旅程

「第十三章：電晶體的誕生」

        把時間再轉回到1936年，凱利剛獲任命為貝爾實驗室的科研主任。根據自己對真空三極管的經驗，他知道這個技術已走到底了，貝爾實驗室必須發展出一個新技術來取代真空三極管。在1936年，蕭基還沒有發表他的論文，但是凱利覺得半導體的點觸整流器原理和真空二極管相似。德福雷斯特在二極管間加了「柵極」，促使了真空三極管的誕生；那麼，有沒有可能在固態的點觸整流器的兩個電極中間，也多加一個「閘」（gate）呢？

        凱利並不知道答案，也充分知道即使有答案，面臨的技術挑戰也將是巨大的。但他堅信這是一條正確的道路。可是要研究成功，最關鍵的是需要一流人才。他必須組成一支理想的團隊，而在這團隊中除了要有出色的電子工程師和半導體材料專家之外，還需要有思想全面的固態電子理論專家。當時貝爾實驗室缺乏這種人才，也很難從內部重新訓練出這類專家。

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜變化莫測的半導體 ( 6 )＞……續上

        二次大戰期間，微波雷達得到了迅速的發展。微波的頻率遠高於無線電通訊用的電磁波，把真空三極管應用在雷達接收器時，靈敏度很低，因為三極管對微波訊號的反應速度不夠快。美國工程師一直不明白，為什麼英國的雷達接收器性能遠為優越；在1941年，當他們把英國接收器拆開檢驗時，方恍然大悟──原來英國人不用真空三極管，而是用矽所做的點觸整流器。這種整流器反應速度極快，足可高效能的接收微波頻率。自此美國開始大規模發展用矽及鍺製成的點觸整流技術，以供雷達使用。

        在這過程中，大家充分認識到，矽或鍺的純度及晶體的完美性，對整流器的性能與「良率」有極大的關係，因此在發展過程中，工程師高度注重半導體材料技術。戰爭結束後，高純度（> 99.999%）的鍺及矽多晶體材料都已面世，對發展晶體三極管（以下稱為「三極體」），提供了重要的材料技術基礎。…… (完)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜變化莫測的半導體 ( 5 )＞……續上

        蕭基是一位教授，同時也是德國電子業巨擘西門子的資深研究員。他在1938年發表了〈金屬與半導體界面整流〉的論文，第一次在理論上準確解釋了布勞恩在1874年觀察到的整流現象，其間相隔了整整五十五年！蕭基的論文在半導體技術上是劃時代巨作，首次把固體物理的基本研究與半導體元件性能連結起來，可惜此時二次大戰開打，學術交流活動停頓下來。蕭基除了在電子元件理論上有卓越的貢獻外，在半導體結構缺陷的理論、電流產生的噪音及無線接收技術上，都有重要的創新，他的成就被歷史嚴重低估了。蕭基活了九十歲，到1976年才逝世。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜變化莫測的半導體 ( 4 )＞……續上

        德國科學家德汝德（Paul Drude）首先發展了金屬的理論，開始從最基本的原子結構，來解釋及計算各種金屬的基本性質。1931年，英國的威爾遜（Alan H. Wilson）展開了對半導體的理論工作。他率先指出半導體內電子能量的分布有「能隙」（energy gap），也預測了微量雜質對半導體性能的深刻影響，從此半導體的理論研究成為固態物理中的重要課題。當時德國納粹當權，很多猶太籍科學家都逃離歐洲，移民美國，很多加入了各所學術機構，增強了美國在基礎物理研究上的底子。各大學裡的教授各樹旗幟，廣收學生，對後來美國在固態電子的發展起了很大的作用。

        無線電在1920及30年代高速發展，收聽無線廣播成為時髦活動。貓鬚整流器（或稱「點觸整流器」）也廣泛應用到無線接收器上。隨著半導體基礎理論研究的不斷進步，德國科學家蕭基（Walter Shottky）及英國的教授莫特（Nevill Mott）開始把理論應用到點觸整流器原理的認識上。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜變化莫測的半導體 ( 3 )＞……續上

        物理學上對半導體的認知，走過一段相當漫長艱難的路，因為半導體原理很複雜，性能很易受極微量的雜質或晶體結構上的缺陷影響而改變。在十九世紀末有很多觀察到的物理現象，無法用牛頓或馬克士威的理論來解釋，這些現象引發了往後三十年量子力學的發展，使得人類對物質最基本的原理有了深刻的認識。有了量子力學的理論基礎，再加上X射線折射實驗中，測示到物質中原子的確實排列結構，自1930年代，科學家便開始從理論上研究固態物質的性質。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜變化莫測的半導體 ( 2 )＞……續上

        布勞恩及其他科學家發現，除了硫化鉛外，很多物質和金屬點觸時也有整流性能，包括元素鍺和矽，這類材料後來通稱為「半導體」。半導體整流的原理非常複雜，要到1938年以後才搞清楚。

        布勞恩在1897年還發明了陰極射線管（CRT），又創始了不少獨特的無線電接收技術，在1909年和馬可尼一起得到諾貝爾物理獎。1916年底，他專程來美國，為一個無線技術專利案作證人，不巧次年四月恰逢美國向德國宣戰。美國政府決定對布勞恩進行監管，不讓他離開紐約回德國。當時他已經六十七歲。幾個月後，太太在德國逝世，他無法陪伴在她身邊。第二年他自己也在美國病故，客死他鄉，晚景淒慘。布勞恩對婦女在科學技術訓練上缺乏機會，一直深感不平。他被困紐約時，正在寫一本書，書名《為女人寫的科學》（Science for Women），可惜沒有完成就過世了。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜變化莫測的半導體 ( 1 )＞

        1874年，才二十四歲的德國科學家布勞恩在做實驗時無意間發現，當他用一根金屬線接觸一種叫硫化鉛（PbS）的自然礦石時，電流可從金屬線流入礦石，但調轉電壓時，則沒有電流，所以是一個整流現象。這個發現，比愛迪生發展電燈泡時觀察到的真空管整流現象（愛迪生效應），還要早了好幾年。但這個現象難以捉摸，有些硫化鉛可以整流，有些沒有這個現象；而且就算在有整流性質的硫化鉛礦石上，也不是表面上每處都有這個性能，每一次都要不停的用像貓鬍鬚般的極細黃銅絲，在礦石表面點觸尋試，才能找到理想的整流點。這種元件叫「貓鬚整流器」（cat whisker rectifier），在二十世紀初期曾普遍被業餘無線電愛好者，應用在簡單價廉的「礦石收音機」上。…… (待續)

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        ＜凱利的先見＞

        1936年，凱利（Mervin Kelly）被任命為貝爾實驗室新的研究部主任。凱利經驗豐富，目光獨到。他在貝爾實驗室多年，一直在真空三極管的科研小組工作，沒有人比他更懂三極管的技術了。這個團隊在二十多年中，把三極管的平均壽命從800小時增加到80,000小時，各方面的性能也得到長足的進步，但是凱利內心非常明白，三極管技術已到了極限。為了發展出全電子的大型電話交換機，或建造可靠的橫跨大西洋海底電話電纜，三極管已無能為力，必須發展出一個新技術來取代。

        什麼新技術呢？對這個問題凱利已有一個籠統的概念：固態電子！他深深的感受到，有可能發展出一個類似真空三極管的固體元件，沒有玻璃、沒有真空、耗能低、體積小，可靠度高。至於怎麼去解決這個技術問題呢？他的答案是：從固態物理研究中尋找。凱利的結論不是無的放矢，而是有根據的。要明白這點，我們必須把時間挪前六十年。

「第三部：固態電子」

「第十二章：貝爾實驗室與半導體」

        美國新澤西州的田野間樹林密佈，丘陵起伏，好一片寧靜的世界。分佈在一座小丘周圍的是舉世聞名的貝爾實驗室，是現代電子和資訊技術的搖籃。

        在1907年費爾復出重振AT&T時，他的策略之一是要AT&T在技術上永遠領先，在競爭中不受制於人。他把各附屬公司的頂尖技術人員集合在一起，成立了西電技術中心（Western Electric Technology Center）；先在紐約城裡設立了實驗室，再在全國各地網羅人才，不斷擴張。西電技術中心研究的項目層面很廣，從元件的發展到應用在通訊系統上的數學，無所不包。後來這個團隊在發掘德福雷斯特的三極管技術，並成功應用在橫跨北美洲長途電話的過程中，顯示了突出的價值。這個技術中心在1925年正式命名為貝爾實驗室。隨著組織的擴張，最後貝爾實驗室搬到了新澤西州現址。

        貝爾實驗室規模龐大，經費充足，而其研究經費只是整個AT&T企業固定支出中的一小部分。AT&T是壟斷企業，電話收費的價格定期由政府批准；政府在審核並批准AT&T每年的支出預算後，再設定電話費價格，允許AT&T收取若干百分率的利潤。所以貝爾實驗室的研究經費可事先編列，不因公司短期營運的盈虧而劇烈浮動，各項研究計畫有比較長期的穩定性，也能對前瞻性強、風險高的項目做出足夠的長期投資。這些因素使得貝爾實驗室比一般企業的研究單位更穩定，也更能吸引各方面的第一流科技專才聚合在一起。除此之外，貝爾實驗室的各項重點研究都有明確的實用目標，最後都要應用在通訊技術的突破或改良上，所以研究成果的成功移轉率，比目標分散的基礎研究組織要高得多。

「第十一章:：電腦」

        ＜現代電腦的框架 ( 4 )＞……續上

        IBM很早認識到，電腦的功能不限於科學與工程上所需的各種複雜計算，更重要的是可處理與分析大量訊息資料。隨著日益快速增長的訊息量，電腦在商業上的重要性無與倫比，全力發展電腦產品完全符合IBM公司的宗旨與策略。從1950年代初，IBM就一直是電腦工業的領袖，甚至在1970年代個人電腦興起的過程中，也扮演了重要的角色。

        從長途電話、收音機、電視機、廣播系統、雷達、無線導航、到全電子電腦，這些重要的發明及應用，都因三極管在訊號放大及電子開關兩方面的獨特功能，得到初步發揮。但要進一步發展已不容易，因三極管性能上有很多重大的缺陷，包括體積大、耗能高、易碎、價格高、可靠度低。ENIAC所面對的窘境，就是最好的寫照。如要克服這些難題，科技界需要發展出比真空三極管更好的放大器和電子開關。這個需求變得愈來愈迫切，技術界領袖們不停的自問這可能嗎？如果可能的話，將會是什麼技術？

        這就帶我們進入了一個新的時代——固態電子！…… (完)