DPZ - 電的旅程

「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」
＜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 ( 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 ( 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 ( 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 ( 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)

「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 ( 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 ( 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」
＜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」
＜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 ( 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 ( 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 ( 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」
＜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」
＜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)