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【Gene思書齋】數位革命的創新者們

Gene Ng_96
・2016/06/25 ・3722字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 466 ・五年級

在中學時代,家裡有台 VHS 錄影機就不錯了,那時幻想著能當科學家的我,只要新聞有什麼科技新知一定錄下,同時心中感嘆,好多先進國家的新穎產品,可能要十年後才會在東南亞的市場上出現吧。可是經過了 VCD、DVD 的年代,現在要看高解析度的 HD 影片,只要能夠上網就行。以前 YouTube 的畫質超爛,沒想到現在第四台的畫質已遠落後很多 YouTube 影片了,科技變化的速度真是一日千里。

過去大學時的電腦螢幕是笨重的 CRT,這不算什麼,我老闆年輕時還用過打孔機當輸出輸入的裝置咧;更傳奇的是據說想當年,台灣史上第一台電腦──IBM650 系統,是用牛車扛到新竹交通大學去的,而且開機向貴賓的表演啟用後就過熱壽終正寢而報廢了。剛上大學,有筆電的同學屈指可數,可是現在我家除了老爸,老媽、弟妹是人手一台 iPad。

我有些年紀稍長的朋友,他們還用過磁帶當儲存設備吧,還有現在絕大多數年輕人都沒看過 5¼ 吋和 3½ 吋磁碟了吧?那就是所謂的 A 槽和 B 槽啊,所以硬碟才是 C 槽。不過現在絕大多數好幾百 MB 甚至上 GB 的程式,也直接上網購買下載安裝了,我現在筆電的光碟機,似乎沒用超過十次了吧。甭說是光碟機,連 USB 碟或外接硬碟也偶爾才用到,很多東西直接上傳到雲端就能備份或分享了。

我小時候立志,長大後一定要買部大英百科全書回家擺!沒想到,長大後,紙本大英百科已經絕版了,現在不僅上網就能到維基百科,還能去編撰條目呢!記得大概大三時,大家突然爭相走告,說可以去一個叫 Google 的網站去搜尋自己的名字,可以找到相關網頁哦!這多麼新奇啊,那時大家主要的入口網站還是 Yahoo! 呢!

初中時,我老爸買了支摩托羅拉的手機,逢人就故意拿出來假裝看簡訊,大家驚呼爭先傳閱的表情,可以讓他爽半天;一直到我大三,班上只有一位同學有手機,到了大四也差不多只有不到一半同學有手機吧,而且都還是智障手機。現在連我那些唸中小學的姪兒們都用智慧手機了,如果有人還在用智障手機,大家還真要傳閱了呢。

都是因為他們的關係

一切彷彿都回不去了,現在只要出門忘了帶手機,千方百計都要回家拿。老實說,我已經不知道過去沒有網路、沒有手機的日子倒底是怎麼過的?現在那些被網路和手機填補的時間,過去自己究竟用來幹什麼啊?無法隨時找得到人,是怎麼能不著急的呀!

還有許多過去流行的事物,如無名小站、ICQ、MSN 等等,也一一走向歷史,可是我們有了 Instagram、Gmail、部落格、臉書、Plurk、Twitter、WhatsApp、LINE 等等。以前新聞上報導的科技新產品,要等好久才會在市面上看到,似乎那些科技新知是科幻,可是現在絕大多數科技產品都是全球同步上市,很多東西都是直接在市場上看到,而非等待好幾載。

這些科技上的方便,或者束縛,都要拜一群超有遠見的阿宅所賜。這本《創新者們:掀起數位革命的天才、怪傑和駭客》THE INNOVATORS: How a Group of Hackers, Geniuses, and Geeks Created the Digital Revolution)就是在講述這群天才的八卦和故事,是一本令人愛不釋手、趣味盎然的好書!

在 2011 年,《創新者們》作者艾薩克森(Walter Isaacson)已經在《賈伯斯傳》(Steve Jobs)為蘋果電腦創辦人賈伯斯立過了傳(請參見〈傳奇的賈伯斯傳(Steve Jobs)〉)。艾薩克森在《創新者們》要敘述一群阿宅的故事,告訴我們一大群有卓越眼光、不羈創意與無比勇氣的人,如何攜手合作創造出電腦與網路,讓數位時代得以降臨,讓賈伯斯能大展雄才。薩克森也真是位奇才,雖然 IT 產業有許多艱澀的術語,他卻能把阿宅們的故事和人生說得天花亂墜、引人入勝,恨不得自己也能宅一輩子(誤)。

開發表的第一個電腦程式,出自百年前一位熱愛數學的詩人拜倫(Lord Byro)之女愛達(Ada Lovelace)之手,她早就預言的電腦與網路世界。《創新者們》 也一一探索掀起數位革命的秀異之士,具備了什麼樣的特質,其中包括 MIT 的教授布許(Vannevar Bush)、早夭的天才圖靈(Alan M. Turing)、大科學家馮諾伊曼(John von Neumann)、英特爾的諾宜斯(Robert N. Noyce)和摩爾(Gordon E. Moore)、微軟的比爾蓋茲(Bill Gates)、蘋果電腦的賈伯斯(Steven Jobs)、發明 WWW 的柏納-李(Tim Berners-Lee)、谷歌的佩吉(Larry Page)和布林(Sergey Brin)等人。

《創新者們》 揭露了這群天才、怪傑、阿宅和駭客如何思考、為何如此有創造力,還有他們尋求合作的智慧,以及如何借助群體合作之力,使創造力更上層樓。很有趣的,在《創新者們》裡,不少開天僻地的創新者們,都不見得有正式的學位,有些連正式的大學都未必上過,而且也幹過不少違法犯紀的事。如果是在台灣這個高度重視學歷和紀律的社會,他們這些曠世奇才恐怕就淪為社會邊緣人了吧?

《創新者們》的故事,尤其到了後半部,大多發生在北加州,也就是在舊金山灣區的矽谷。我唸書的學校離矽谷大約一個半小時車程(正常速度開的話),因為有好友在矽谷工作,所以也蠻常過去的。矽谷是有名的冒險者天堂,據說矽谷裡開公司的老闆,半均倒過七家公司。可是,在那裡只要敢提出好的主意,敢找人要錢,就有創投公司願意投注,他們不僅仍有西部拓荒的冒險精神,而且還信仰不以成敗論英雄的價值觀。 《創新者們》或許是口口聲聲談創新的政商名流該人手一本的吧,讓我們見識創新是怎麼一回事,而非僅是嘴炮而已。《創新者們》提出,數位年代的創新有三種組成團隊的方式,一種是政府出資整合,電腦原型機和網際網路前身 ARPANET 就是政府主導和資助的,並且形成產官學三方合作;第二種是由私人企業領軍,像是富有創意的公司如德州儀器、INTEL、Google、微軟和蘋果,他們創新的動力是豐厚的獲利;第三種是同儕共有生產制,也產生了好用的產品如 GNU/Linux、OpenOffice、FireFox 和維基百科等等。

這三種團隊方式都為我們創新性地生產了很多好用的產品,缺一不可。有些右派保守人士一味批評政府不該資助科研,因為政府效率低等等,認為只有私人企業才有真正的創新。這顯然是錯的,《創新者們》和吳修銘(Tim Wu)的《誰控制了總開關?》(The Master Switch: The Rise and Fall of Information Empires)甚至舉出實例,指出試圖扼殺創新的,大企業也曾經有份哦!(請參見〈到底是誰控制了總開關?〉)如果沒有政府資助,讓學術界可以打造出當時還不實用的機器等等,電腦的發明恐怕要落後了好幾十年了吧?如果沒有大量政府資助的基礎研究,現在生技公司哪來那麼多基礎知識去搞生技新藥?僅因為政治信仰就一味反對政府資助基礎研究,是不折不扣的睜眼說瞎話。

我有位朋友前陣子參觀了加州舊金山灣區山景市的計算機歷史博物館(Computer History Museum),拍了一個很有趣的影片示範了差分機(Difference engine)的運作(以下影片出自網路):

雖然看影片時有幾位朋友是唸資訊科學出身的,可是他們也不知道差分機的實際用途。歷史上的差分機一號(Difference Engine No.1)是英國科學家查爾斯‧巴貝奇(Charles Babbage)研發的自動化數學機器,由英國政府出資,工匠克里門(Joseph Clement)打造,預計完工需要 25,000 個零件。巴貝奇不斷延後完成期限的嚴重超支(英國政府在 1842 年的最後清算發現整個計畫一共讓國庫支出了 17,500 鎊)。《創新者們》在追溯電腦科技的歷史,故事的源頭就是巴貝爾設計差分機以及和愛達的友誼。

科技背後,全是有溫度的人

愛達和巴貝奇認識於 1833 年,之後一直有維持通訊,因此對巴貝奇在差分機和分析機引擎方面的進展頗有了解。1842 到 1843 年間,愛達翻譯了一位義大利數學家(後來當上義大利首相)費德里科‧路易吉(Federico Luigi)關於講述巴貝奇分析機的論文時,應巴貝奇的要求在後面附上了譯者評注,她的譯者評注比原文還長、影響力更大,愛達在其中用非常詳細的描述,設想了如果分析機成真的話,要如何用它來求伯努利數列(Bernoulli number)的值,被認為是世界上第一個電腦程式,因此愛達也被認為是世界上第一位程式設計師。在 1980 年,美國國防部製作了一個新的電腦語言,就命名為 Ada。英國計算機公會每年都頒發以愛達為名的獎項。《創新者們》算是為愛達致敬的。

即使不是 IT 宅,也會發現《創新者們》很有啟發性。IT 科技已深入我們每一天的生活,並非是個陌生的國度,《創新者們》用很有趣的方式,讓我們瞭解到主修資科的朋友在課堂上都未必學到的故事和八卦,除了寓意深遠,還很有娛樂效果,是本寓教於樂的好書!

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於 The Sky of Gene

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 24 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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將數學具象化!從複雜數學世界中看見規則——《大自然的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/12/24 ・2696字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我還有另一個夢想。

我的第一個夢想「虛擬幻境機」只是個科技產物,它能幫助我們將抽象的數學視覺化,促使我們建立新的直覺,讓我們得以忽略數學問題中冗長沉悶的數字結構。

尤其重要的是,它能使數學家對心靈世界的探索變得更容易。但是,由於數學家在數學園地流連忘返時,偶爾也會創造出新景觀,因此虛擬幻境機也可扮演創造性的角色。

事實上,虛擬幻境機或者類似的產品,很快就會問世。

將數學的複雜運作歸類成簡單的模式

我將第二個夢想稱為「形態數學」(morphomatics),它並不是一種科技,而是思考方式。就創造性而言,形態數學具有極為重大的意義。但我卻不知道它是否真會出現,甚至不知道是否有此可能。

我希望答案是肯定的,因為我們都需要它。

上一章的三個例子「液滴、狐與兔、花瓣」彼此間的結構有很大的差異,可是對於這個宇宙如何運作,它們都顯示了相同的哲學觀。它們不像運動定律導出行星橢圓軌道那樣,能直接從簡單的定律導出簡單的模式。相反的,它們貫穿枝葉茂密的複雜性巨樹,最後在適當的尺度下,才終於陷縮成相當簡單的模式。

「水龍頭滴水」這個簡單的敘述,伴隨著極端複雜而不可思議的一連串變遷。

雖然我們已有了電腦模擬的證據,我們還是不知道從流體定律中「為何」會導致這些變遷。這是個簡單的結果,可是起因卻不單純。

在狐狸、兔子與草地構成的數學電腦遊戲中,則包含了許多複雜而隨機的規則。然而,這個人工生態的重要特徵,卻能以四個變數的動力系統來表現,精確度高達百分之九十四。

花瓣的數目是所有原基進行複雜交互作用的結果,但是藉著黃金角,這些作用卻剛好導致各種費布納西數。費布納西數是每位數學福爾摩斯的線索,而不是躲在幕後的元兇。在這個問題中,數學莫里亞提(Moriarty,譯注:福爾摩斯的死對頭)並非費布納西,而是動力學;是自然界的機制,而不是「自然界的數」。

花瓣的數目剛好是費布納西數。圖/envatoelements

在這三個數學故事中,蘊含著一個共同的訊息:自然界的模式都是「突現的現象」,它們從複雜性海洋中突然冒出來,就像波提且利(Sandro Botticelli, 1445-1510)的維納斯乍現於貝殼中,毫無預兆,而且超越了母體。

它們不是自然律的深層單純性帶來的直接結果,那些自然律在這個層級並不適用。它們無疑是從自然界的深層單純性間接衍生而來,但由於因果之間的路徑太過複雜,以致沒有人能夠追尋每一步足跡。

創造一種嶄新的數學

如果我們真想掌握模式的突現,首先需要擁有一個嶄新的科學方法,它要能跟重視定律與方程式的傳統方法並駕齊驅。電腦模擬就是其中一環,可是我們還需要更多。僅由電腦告訴我們某個模式存在,這樣並不能令人滿意,我們還想知道「為什麼」。

這就代表我們必須建立一種新的數學,這種數學能將模式當作模式處理,而不會僅視為細微尺度交互作用的偶然結果。

我並不想改變現存的科學思考方式,它已經帶我們走了很長、很長的一段路,我呼籲的是建立另一個與它相輔相成的體系。

晚近數學最驚人的特色之一,就是開始注重一般性原則與抽象的結構,重心已由定量問題轉移到了定性問題。偉大的物理學家拉塞福(Ernest Rutherford,1871-1937)曾經說過:「定性是差勁的定量描述」,但是這種心態現在已經沒什麼道理。

拉塞福的名言剛好應該倒過來說:定量是差勁的定性描述。因為,能幫助我們了解並描述自然的數學性質種類繁多,數字只不過是其中一種。我們若想將所有的自由度都擠進局限的數值體系,就絕對無法了解樹木的生長或沙丘的形成。

建立一種新數學的時機業已成熟。拉塞福對定性推理的批評,主要在於失之草率;而這種新數學則擁有相當的嚴密性,卻又包含了更多觀念上的靈活性。

我們的確需要一種研究模式的有效數學理論,這就是我將我的夢想稱為「形態數學」的原因。令人遺憾的是,科學的許多分支如今正朝相反方向發展。

舉例來說,DNA常被視為生物體形態與模式的唯一解答,然而當今的生物發育理論,卻不足以解釋為何有機與無機世界分享了那麼多的數學模式。或許,DNA是將動力學規則編入了密碼,而非僅僅控制發育完成的模式。假如真是這樣,當今理論顯然忽視了發育過程的許多關鍵步驟。

建立適當的自然數學體系

數學與自然形態有密切關聯的想法源自湯普生,事實上,還可以遠溯到古希臘人,甚至巴比倫人。然而,直到最近這些年,我們才開始發展堪稱適當的數學。

過去的數學體系本身都太死板,都是為了遷就鉛筆與紙張的限制而創製的。

比如說,湯普生注意到,有多種生物體的形狀與流體的形態極為相似,可是如果想要模擬生物體,當今的流體力學使用的方程式卻嫌簡單得過分。

如果我們在顯微鏡下觀察一個單細胞生物,最不可思議的就是它的運動顯得有明確的目的,看來好像真的知道該往哪裡走。事實上,它是以一種非常特殊的方式,對周遭的環境與內在的狀態做出回應。

生物學家正逐步揭開細胞運動機制的神祕面紗,這些機制比起傳統的流體力學可要複雜許多。細胞最重要的特色之一,是擁有所謂的「細胞骨架」(cytoskeleton),它是某種互相糾纏的管狀網絡,看起來就像一捆稻草,功能是做為細胞內部的剛性支架。

細胞骨架具有驚人的靈活性與動態結構,在某些化學物質的影響下,它可以完全消失無蹤;而不論任何地方需要支撐,又都可以在該處生長。

細胞質中的微管。圖/wikipedia

其實,細胞運動所憑藉的,就是拆卸某些骨架而改搭在另一處。

細胞骨架的主要成分是微管,在討論對稱時我曾經提到它。我在那一章說過,這種不尋常的分子呈長管狀,是由兩種單元:α─微管蛋白與β─微管蛋白組成的,兩者排列成如同西洋棋盤的黑白相間圖樣。

微管可藉增加新單元而生長,也能像香蕉皮那樣從頂端向後捲縮。它的捲縮速率遠大於生長速率,但這兩種傾向都可用適當的化學物質來刺激產生。

——本文摘自《大自然的數學遊戲 》,2022 年 11 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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半導體以前的半導體:從礦石收音機到電晶體——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/21 ・3430字 ・閱讀時間約 7 分鐘

從礦石收音機到電晶體

直到 1947 年末,美國發明電晶體後,人類才正式開始使用半導體。不過在這之前,人類已經在使用類似半導體的東西,礦石檢波器就是其中的代表。

日本從 1925 年開始放送廣播,最早的收音機使用的是礦石檢波器。檢波器是一種可以接收電波,並從中提取出聲音與音樂等資訊訊號的元件。使用天然存在之礦石製作出來的檢波器,就叫做礦石檢波器。

礦石檢波器。圖/東販

圖 1-1 是礦石檢波器的原理。檢波器的構造是以金屬製的針碰觸著方鉛礦這種特殊礦石(圖 1-1(a))。

電流容易從金屬針流向礦石,卻很難從礦石流向金屬針(圖 1-1(b))。這種特殊的性質稱為整流性,也是半導體的特性。

對於擁有整流性的物質來說,容易讓電流通過的方向稱為順向,不容易讓電流通過的方向則稱為逆向

換言之,順向的電阻較低,逆向的電阻較高。之後會說明理由,總之有這種特性的元件,可用於製作檢波器。而順向與逆向的電阻比值愈大,可以製成愈靈敏的礦石檢波器。

礦石檢波器的原料是天然礦石,所以品質並不固定。針的接觸位置不同時,靈敏度也不一樣。所以製作礦石檢波器時,必須試著尋找能夠使針的敏感度達到最佳的特定位置。雖然品質不穩定,但製作簡便又便宜,也不用消耗電力,所以早期的收音機常會使用礦石檢波器。

當時的收音機少年也熱中於用礦石檢波器,自己動手製作礦石收音機。以前筆者(井上)年紀還小的時候,就曾自己製作礦石收音機。調整好礦石檢波器後,就可以清楚聽到廣播電台的聲音,讓人相當興奮。為了盡可能提高接收電波時的靈敏度,我當時也下了不少工夫。

這裡就來簡單說明用檢波器,從電波中提取出資訊訊號的原理吧。

訊號的接收與提取

接收無線電波訊號。圖/東販

如圖 1-2 所示,欲以無線電波傳送聲音、音樂等頻率較低的波時,需先將其轉變成頻率較高的波才行。

這個操作稱為調變。圖中,以調變器混合資訊訊號波(同圖①)與頻率較高的載波(同圖②)後,可以得到同圖③般的波,然後再發送這種無線電波(同圖④)。

檢波器接收到這種無線電波(同圖⑤)後,由於只會讓正向的調變波通過,故可得到同圖⑥般的波。這種波含有頻率較低的訊號波與頻率較高的載波,所以需再通過低通濾波器(只讓低頻率的波通過的濾波器),抽取出訊號波(同圖⑦)。

在真空管收音機盛行起來之後,人們便不再使用礦石檢波器。不過,在第二次世界大戰時,礦石檢波器又起死回生。使用礦石檢波器的雷達,在第二次世界大戰相當活躍。

雷達的原理。圖/東販

雷達如圖 1-3 所示,可透過指向性高的天線,朝特定對象發射高頻率電波脈衝,再接收由該對象反射回來的電波,並計算時間差,以測量出與該對象的距離與方向。之所以要使用高頻率電波,是因為頻率愈高,愈能正確識別出細小的物體。

這種雷達使用的無線電波叫做微波,頻率在 3GHz~10GHz 左右。若要用真空管檢波器,從頻率那麼高的無線電波中檢出訊號,必須使用體積很大、電容量很大的真空管才行,所以真空管不適用於高頻率的檢波器。

重出江湖的礦石檢波器

此時就輪到礦石檢波器重出江湖了。使用礦石檢波器時,針與礦石只要有一個接觸點就行了,電容量很小,在高頻率時也能正常運作。

如前所述,礦石檢波器的運作並不穩定,無法直接用於戰爭。於是歐美國家便紛紛投入研發性能更好、能夠取代礦石檢波器的新型檢波器,最後得到的就是矽晶(半導體)與鎢針的組合。

矽晶是由人工製成的均質結晶,所以不需要像使用礦石時那樣,用金屬針尋找、調整最佳的接觸位置。

而且,隨著雷達矽檢波器的研究持續發展,科學家們也發現了矽晶是相當典型的半導體。

為了提高結晶的純度,矽晶的精製技術也跟著進步,這和戰後電晶體的發明也有一定關聯。而且,因為製造出高性能的檢波器,所以人們也開始使用像是微波這類過去幾乎不用的高頻率無線電波。相關技術在戰後開放給民間使用,於是電視與微波通訊也開始使用這些無線電波。

雖然我並沒有要肯定戰爭行為,但戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。

戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。圖/pexels

半導體就是這種東西—溫度與雜質可提高電導率

接著就讓我們進一步說明,半導體究竟是什麼東西吧。

所有物質大致上可依導電性質分為兩類,分別是可導電的「導體」,以及不能導電的「絕緣體」。

導體的電阻較低,電流容易通過,譬如金、銀、銅等金屬皆屬於導體。另一方面,絕緣體的電阻較高,電流難以通過,橡膠、玻璃、瓷器皆屬於絕緣體。

我們可以用電阻率 ρ(rho:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電阻率的單位是〔Ω・m〕,電阻率愈大,電阻就愈大。

導體、半導體、絕緣體的分類。圖/東販

如圖 1-4 所示,雖然沒有明確的定義,不過導體指的通常是電阻率在 10-6Ω・m 以下的物質,絕緣體指的則是電阻率在 107Ω・m 以上的物質。

相對於電阻率,有時會用電導率 σ(sigma:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電導率為電阻率的倒數(σ=1∕ρ),單位為〔Ω-1・m-1〕。與電阻率相反,電導率愈大,電阻就愈小。

相對於此,半導體如名所示,性質介於導體與絕緣體之間;電阻率也介於導體及絕緣體之間,即 10-6〜107Ω・m。代表性的半導體如矽(Si)與鍺(Ge)。

半導體的特徵不僅在於電阻率的大小,更有趣的是,隨著溫度與微量雜質濃度的不同,半導體的電阻率數值也會有很大的變化。圖 1-5 為溫度對半導體電阻率的影響示意圖。圖中縱軸寫的是電導率 σ,但要注意的是,縱軸的 σ 值其實是對數尺度。

溫度對半導體電阻率的影響。圖/東販

由這個圖可以看出,一般而言,隨著溫度的上升,金屬的電導率會下降(電阻率上升);但半導體則相反,在 200℃ 以下的範圍內,溫度上升時,半導體的電導率會跟著上升(電阻率下降)。

1839 年,法拉第在硫化銀 Ag2S 上首次發現了這種隨著溫度的上升,電導率會跟著上升的奇妙現象。雖然他不知道為何會如此,不過,這確實是人類首次發現半導體性質的例子。

電流是電子的流動,所以電導率提升,就代表半導體內的電子數變多了。電子原本被半導體原子的+電荷束縛著,無法自由移動。不過當溫度上升,獲得熱能後,電子就能脫離原子的束縛自由移動了。

這種能自由移動的電子(自由電子)數目增加後,會變得較容易導電,電導率跟著上升。這就是半導體的一大特徵。

高純度的半導體結晶在室溫下熱能不足,幾乎不存在自由電子,所以可視為絕緣體。

不過,如果在半導體結晶內添加極微量的特定元素雜質(Ge 與 Si 以外的某些元素),便可大幅降低電流通過半導體的難度。這也是半導體的一大特徵(詳情將在 1-5 節中說明)。

半導體的自由電子,也可以透過光能觸發。

英國的史密斯於 1873 年時發現了這種現象。他用光照射擁有半導體性質的硒(Se)時,發現硒的電阻變小了(內光電效應)。

1907 年,英國的朗德對碳化矽(SiC)結晶施加電壓賦予能量時,發現結晶會發光。這種能讓光與電能互相變換的特性,也是半導體的特徵。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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