1947 年11 月17 日—12 月23 日:第一个电晶体

2020-06-04


第一个研发电晶体的过程,远比贝尔实验室的科学家在 1930 年代开始致力于此装置的开发要早很多。这都是 1800 年代的科学家,包括马克斯威尔〈Maxwell〉、赫兹(Hertz)和法拉地(Faraday)等人在科学上所做的惊人发现,以致于电可以为人们所用,而发明家也应用这些科学知识来研发收音机等有用的电器品。

无线通讯开始于 1895 年,当时马可尼(Marconi)成功地将无线讯息传送至超过 1 哩外的地方。但若要让此技术可以完全实用,还需研发出更好的侦测器以侦测携带讯息的无线讯号。最后是将整流的电晶体侦测器置入无线电波的接收器内,可以将无线电波和带有讯息的讯号分开。

然而,晶体组只能在强电磁波中使用,距离拉远或地面物体的阻碍均会让电磁波减弱,因此需要增加讯号的强度。英国物理学家 Joh Ambrose Flemig 发明整流的真空管—在收音机的接收系统中附加两个电极的灯管,跨出解决此问题的第一步。

美国的发明家 Lee DeForest 再加上更进一步的创意—第三个电极,称之为栅极,由围绕阴极的细电线组所组成,带负电压,可以控制电子从阴极流向阳极,以加强电流。有放大功能的真空管不仅在收音机的研发中是必要的装备,它在早期的电话装置、电视机和电脑中更是不可或缺的。

但真空管的技术不够完美,它耗太多电,散出太多热量,佔用太大空间,生产成本太高,最后还会烧掉,需要重新更换。(美国宾州大学的 ENIAC1 计算机装有好几千只的真空管,佔用好几个大房间,所需的电力足以供应 10 个家庭的照明用。)真空管的缺点让贝尔实验室的一名工程师 J.R. Pierce宣称:「大自然憎恨真空管。」

1930年代,贝尔实验室的科学家试着使用超高频电波做为电话通讯用,这需要比真空管更可靠的侦测器,因为真空管无法接收快速的振荡。他们于是回到以前使用晶体为基础的侦测器,结果很有效,促使他们更进一步研发最可靠的半导体物质「硅」的特性。在此过程中,他们发现硅元素是由两个不同的部分所组成,一部份有利于正电流通过(“P”),另一部份则有利于负电流通过(“N”)。这个「P-N 体」的发现,加上可以控制它的特性,奠定了电晶体的基础。

John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley 在贝尔实验室带头开发增加强度的新方法,他们认为若在半导体侦测器中加上第三个电极,就可以控制通过硅的电流量。此装置在理论上和真空管的强化效果一样好,但省电许多,所佔空间也小。 此研发的努力于所谓的「神奇之月」—1947 年 11 月17 日至 12 月 23 日达到高峰。

Brattain 建造了一个奇妙的硅装置来研究半导体表面的电子行为,希望能发现电子阻碍强化的原因,可是却发现硅表面一直产生凝结物。为了处理此问题,Brittain 就将整个实验装置放进水中,没想到却製造出前所未曾观察到的最大强化效果。Bardeen 知道这个结果后就建议做一个加强器,将里面金属的一端插入硅中,再放入蒸馏水中。这个装置可行,但是强化效果并不明显。

1947 年11 月17 日—12 月23 日:第一个电晶体

可是 Bardeen 和 Brattain 却士气大振,努力不懈地试用不同的材料与装备,最后决定以「锗」取代「硅」,结果得到的强化效果是之前的 330 倍。但很不幸地,这只在很低频的电流中有效,而像电话线等则是需要处理通话者声音的所有複杂频率。他们决定以一层氧化锗来取代液体。

在实验的过程中,Brattain 发现他会不经意地洗掉氧化层,但电压还是会有一些强化效果,而且是在所有的频率中都能达成,这令他很讶异。另外,金的接点将锗刺出小洞,可以将表面电子的干扰因素去除掉。因此,製造强化器的主要要件是一个厚片的锗,和两个相距几毫米的金接点。

谨记此原则,Brattain 在一个塑胶做的三角形周围围上一条金箔片,再在三角形的一个顶点以刀片将金箔切开,得到相隔只有一根毛髮宽的两个金接点。当将此顶点放到锗上时,讯号会通过一个金接点,当它冲至另一个金接点时,讯号就会加强,这就是第一个「点接触」的电晶体。

第一个电晶体约有 0.5 吋高,以今日一个硅晶片可以容纳 7 百万个电晶体的标準来说是很大,但它确实是第一个可以执行真空管强化功能的固体装置,所以让 Bardeen、Brattain 和 Shockley 在 1956 年赢得了诺贝尔物理奖。更重要的是,它孕育了一个全面性的产业,开启了资讯时代,在全球掀起了大革命。

注1:ENIAC:Electronic Numerical Integrator and Calculator 的缩写,是全球第一部可变程式的电子计算机,1946 年美国宾州大学的 John Mauchly 和 Presper Eckert 所製造,长 50 呎,宽 30 呎,重 30 吨。

进一步阅读资料:

Michael Riordan and Lillian Hoddeson (W. W. Norton and Co., 1997), “Crystal Fire

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