【跨科際閱讀】電晶體的發明

電晶體的發明是天時、地利及人和促成的。

撰文│林天送(美國聖路易華盛頓大學化學暨神經科學系)
原載於【科學發展446期】2010.02.01

Transistor@wiki

電晶體模樣

 

電晶體(transistor)是由半導體製造出來的。電晶體能控制電流的大小和方向,是所有電子裝備的基本元件。製造方法是讓純矽晶體(silicon crystals,屬第四族元素)暴露在高溫的第三族元素(如硼, boron)氣體中,硼元素會藉由擴散進入矽晶體。含硼的矽晶體就變成少了 1個電子,也可說多了 1個電洞。硼的角色是受體(acceptor),這就是 P-型( positive type)半導體。如果有第五族元素(如磷, phosphor)的雜質,就多了1個電子。磷的角色是施體( donor),這就是 N-型(negative type)半導體。
經過設計,電晶體可有 3個極,如NPN電晶體有 N-type射極,P-type基極和 N-type集極。

電晶體是美國貝爾實驗室的威廉.蕭克立(William B. Shockley, 1910-1989)、約翰.巴定( John Bardeen, 1908-1991)和沃爾特 ·布拉頓(Walter H. Brattain, 1902-1987)3人於 1947年12月底發明的, 3人因電晶體的發明和應用而獲 1956年諾貝爾物理獎。蕭克立擁有麻省理工學院的物理博士學位,是實驗和理論的強手。巴定擁有普林斯頓大學的博士學位,專攻固體物理,是位理論物理學家。布拉頓獲明尼蘇達大學的博士學位,是位實驗物理學家。

電晶體的發明

因電晶體的發明和應用而獲1956年諾貝爾物理獎的蕭克立(左)、巴定(中)及布拉頓(右)。

RCA_Power_Vacuum_Tube@wiki

1940年代,所有的電子儀器和用具都是由真空管組成。如第 1代電腦 ENIAC就是用真空管組成,它的缺點是笨重、占空間而功能低,也容易燒毀,這些問題成為尋找真空管替代品的原動力。

1940年代,所有的電子儀器和用具都是由真空管組成。如第 1代電腦 ENIAC就是用真空管組成,它的缺點是笨重、占空間而功能低,也容易燒毀,這些問題成為尋找真空管替代品的原動力。

蕭克立的博士論文指導教授史雷特(S.C. Slater)是半導體的先驅者,蕭克立的早期研究是用實驗和理論探討電子在固體中的移動。他在 1936年進入貝爾實驗室工作,2年後就獲得第 1個專利「電子倍增放電器」。1939年年底,在他的實驗記錄簿曾經記載「利用半導體做放大器」的概念。蕭克立的研究經典是「思考、又思考」,即必須有精簡的思考才能有突破,而且要把複雜的事件簡化成最基本的元素。後來他升為半導體研究小組的主管。
巴定是理論物理學家,他的博士論文指導老師是魏格納(Eugen Wigner, 1963年諾貝爾物理獎得主)。他和蕭克立是好朋友,1946年蕭克立邀請巴定進入貝爾實驗室工作。那時候,半導體研究小組的另一研究員布拉頓正在測量以鍺(germanium)為本的P-N雙極性接面電晶體的物性(按,鍺和矽同屬第四族元素)。每一次布拉頓做完一個實驗,巴定就用理論解釋和驗證實驗結果。
1947年12月23日,3人宣布半導體三極管的發明,並在貝爾實驗室當眾示範用半導體三極管做成的聲音擴大器。這跟當初貝爾公司創辦人亞歷山大.貝爾(Alexander Graham Bell)示範用電通話異曲同工,也實現了蕭克立1939年的構想。

Davic@Flickr

此為早期微處理器,一個高級微處理器就使用高達 3億個電晶體。

電晶體被認為是20世紀最偉大發明之一,它是所有現代電器最重要的元件。因為電晶體可以大規模製造和生產,成本低且品質優良,幾乎所有電腦、電動控制器、電信、電視、廣播、助聽器等都使用電晶體,早期的真空管就被淘汰了。雖然數以百萬的單體電晶體還在使用,最常用於訊號放大,但大多數的電晶體是使用在積體電路中(請見〈積體電路的發明〉)。譬如一個邏輯閘就包含 20個以上的電晶體,而一個高級微處理器就使用高達 3億個電晶體。

你可曾想像如果沒有電晶體的發明,我們的工業、醫療、甚至個人生活會有多大的變化?如果追究發明者原先發明電晶體的用意,他們只是想取代當時笨重、占空間而功能低的真空管。但電晶體一出爐,馬上就改變了整個電子工業的發展,這出乎當初 3人的本意。筆者相信電晶體的發明並不是偶然的。布拉頓在1956年諾貝爾頒獎時說:「電晶體的發明是天時、地利及人和促成的。」
蕭克立有精簡的思考和觀察能力,他成長在真空管時代,早在 1939年就預測到半導體的潛力,加上他能把複雜的事件簡單化,才能有突破的發明。蕭克立一生擁有九十多項專利,1951年成為美國國家科學院院士。 1956年1月他離開貝爾實驗室到史坦福大學物理系當教授,並成立蕭克立電晶體實驗室。積體電路的發明者之一諾義斯( Robert Noyce),就是當初蕭克立實驗室的研究員之一。
巴定是理論奇才,在貝爾實驗室時,他曾經建議實驗室的大老闆研究超導電現象,但沒有被接受。後來,巴定離開貝爾實驗室到伊利諾大學當教授,專心研究超導。他和古柏( Leon N. Cooper)和史律弗( John R. Schrieffer)創立超導體 BCS理論,再次於 1972年獲諾貝爾物理獎。巴定是唯一得過 2次諾貝爾物理獎的人。
值得一提的是,半導體是美國貝爾電話公司貝爾實驗室開發出來的。貝爾實驗室是當時規模最大、最有名氣的民營研究實驗室,開發出無數的發明,也培養出 6位諾貝爾獎得主。

深度閱讀資料
Reid,T. R. (2001) The Chip, How Two Americans Invented the Microchip and Launched a Revolution, Random House Publishing, New York.
http://en.wikipedia.org/wiki/transistor
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/

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