兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機？巴貝奇與差分機│《電腦簡史》 齒輪時代（十八）

查爾斯．巴貝奇（Charles Babbage），1792 至 1871 年。

1843 年，一位英國數學家提出了分析機原理，這個構思將在一百零三年後由後人付諸實踐，並有了一個為大家熟知的名字——計算機（今日俗稱電腦）。很遺憾，查理斯．巴貝奇終其一生也沒能實現造出分析機的願望，但他依舊是當之無愧的計算機先驅。

直到今天，許多計算機書籍扉頁裡仍然刊載著他的照片，以表紀念。

巴貝奇發明小型差分計算機

一七九二年，巴貝奇出生於倫敦一個富有的銀行家家庭，十八歲進入著名的劍橋大學三一學院，成為牛頓的校友。後來他擔任了牛頓擔任過的「盧卡斯數學教授」職務。在進入大學之前，他就展現出極高的數學天分。

進入大學後，巴貝奇發現，當時英國人普遍接受的牛頓建立在運動基礎之上的微積分，不如萊布尼茨基於符號處理的微積分那樣便於理解和傳播。為了推廣已被歐洲大陸普遍接受的萊布尼茨的微積分，他和其他人一同創辦了英國的（數學）分析學會。

不過巴貝奇並不是一個安分的學生，他一方面顯現出超凡的智力，另一方面又不按照要求完成學業，為此他不得不轉了一個學院，才能繼續學業。在學校裡，他還對很多超自然的現象感興趣。

延伸閱讀：巴貝奇誕辰｜科學史上的今天：12/26

如果不是趕上工業革命，巴貝奇或許會尋找某個傳統的數學領域或者自然哲學領域做一輩子研究，並且留下一個巴貝奇定律或者巴貝奇定理。但是，工業革命的大背景，讓他把畢生精力和金錢都投入研究一種能夠處理資訊的機械中。

這也不奇怪，因為工業革命為資訊處理提供了思想上的依據、技術上的條件和廣闊的市場。工業革命是人類歷史上最偉大的事件。它不僅第一次讓人類從此進入可持續發展的時代，也改變了人們的思想。人類從相信神，到今天開始變得自信起來，相信這個世界是確定的、有規律的，而自己能夠發現世界上所有的規律。

早在牛頓時代，著名物理學家玻意耳（Robert Boyle）在總結牛頓等人的科學成就之後，就提出了「機械論」，也被稱為「機械思維」。

玻意耳等人（包括牛頓、哈雷等）認為，世間萬物的規律都可以用機械運動的規律來描述，包括蒸汽機和火車在內的工業革命中那些最重要的發明，都受益於機械思維。人們熱衷於用機械的方法解決問題，從精密的航海導航，到能夠奏樂的音樂盒，再到能織出各種圖案的紡織機。

既然能想到的所有規律都可以用運動規律來描述，那麼就很容易想到讓具有特殊結構的齒輪組運動來完成計算，這便是設計機械計算機的思想基礎。

其實，這種想法早在十七世紀就有人嘗試過。法國數學家帕斯卡（Blaise Pascal）發明了一種手搖計算器——雖然有時人們將它稱為最早的機械計算機，但實際上它和我們今天理解的電腦概念沒有太多相似之處，稱之為「計算器」更為恰當。

帕斯卡計算器從外觀上看有上下兩排旋鈕，每個旋鈕上都刻著○至九這十個數字。在做加減法時，只要將參加運算的兩個數字分別撥到相應的位置，然後轉動手柄，計算器裡的一組組齒輪就會轉動，完成計算。

帕斯卡計算器最初只能做加法，後來經過改良， 可以做減法和乘法， 但做不了除法。在帕斯卡之後，萊布尼茨改良了計算器。他發明了一種以他名字命名的轉輪「萊布尼茨輪」，方便實現四則運算中的進位和借位。

到了十九世紀初，經過近兩個世紀的改進，機械計算器已經能夠完成四則運算，但是計算速度很慢，精度也不夠高，而且設備造價昂貴。不過，這種計算器更大的缺陷在於，對於複雜的運算（比如對數運算和三角函數運算）都做不到。

十九世紀機械工業的發展需要進行大量的複雜計算，比如三角函數的計算、指數和對數的計算等。在微積分出現之前，完成這些函數的計算是幾乎不可能的事。

十八世紀之後，歐洲數學家用微積分找到了很多計算上述函數的近似方法，不過這些方法的計算量極大，需要很長的時間，而且當時除了數學家，一般人是完成不了那些計算的。為了便於工程師在工程中和設計時完成各種計算，數學家設計了數學用表，如此一來工程師就可以從表中直接查出計算的結果。

不過，那個時代的數學用表錯誤百出，為生產和科學研究帶來了很多麻煩。而這個問題很難避免，因為手算很難保證完全不出錯。如果很多數學家分別獨立計算，還可以比對結果發現錯誤。但是巴貝奇發現，那些不同版本的數學用表都是抄來抄去，而犯的錯也都一樣。

因此，巴貝奇想設計一種機械來完成微積分的計算，然後用它來計算各種函數值，得到一份可靠的數學用表。當時他只有二十二歲。

延伸閱讀：兩艘軍艦換不到兩噸重的計算機？巴貝奇與差分機｜《電腦簡史》 齒輪時代（十八）

在隨後的十年裡，巴貝奇造出來一台有六位精度（巴貝奇最初的目標是達到八位精度）的小型差分計算機。隨後巴貝奇用它算出了好幾種函數表，用於解決航海、機械和天文方面的計算問題。

值得指出的是，巴貝奇的這次成功受益於工業革命的成就——當時機械加工的精度比瓦特時代已經高出了很多，這讓巴貝奇能夠加工出各種尺寸獨特的齒輪。

但是，當時並沒有二十世紀的精密加工技術，製造小批量特製齒輪和機械部件的成本高、難度大，這給巴貝奇後來的工作帶來了諸多不便。

不過，首次成功還是讓巴貝奇獲得了英國政府的資助，用以打造一台精度高達二十位的計算機。

幾年後，他又獲得了劍橋大學盧卡斯數學教授的職位，讓他有了穩定的收入。在此之前，他一直在花自己繼承的十萬英鎊遺產。勝利女神似乎正向他招手，但接下來的時日，他在計算機研究方面一籌莫展。

從表面上看，巴貝奇遇到的困難是因為那台差分機太複雜了，裡面有包括上萬個齒輪的二點五萬個零件，當時的加工水準根本無法製造。但更本質的原因是，巴貝奇並不真正理解計算的原理。他不懂得對於複雜的計算來說，不是要把機器做得更複雜，而是要用簡單的計算單元來實現複雜的計算。

當然，在那個年代沒有人瞭解這些。作為現代計算機基礎理論的布林代數要再等十幾年才會被提出來，而且要再過近一個世紀，才會被應用到計算技術中。

——本文摘自《資訊大歷史：人類如何消除對未知的不確定》，2022 年 6 月，漫遊者文化，未經同意請勿轉載。

• 作者／江才健

在某種社會意念中，科學研究似乎是神創之事，不但來自無可名狀的靈感創造，也賦予了神聖和至高無上的崇敬，這在科學事物以某種整體卻含混的印象，帶來社會生活與應用技能巨大改變的社會背景下，得到更進一步的強化。類同於人類文明裡的其他文化創造，譬如藝術與文學，這些無名的想像力，帶給人類未可逆料的驚喜，使得沉悶的尋常生活出現深遠的意義，而不同於其他創造的才分，科學創造因為直接衝擊著人類的生活實質內涵，也就益發的受到欣羨與崇仰。

在二十世紀的科學歷史中，獲稱為偉大物理學家的愛因斯坦，最是典型的代表，許多人傳誦他所提出的相對論，其實大多對之不知其詳，甚或根本不知何其所謂，但是人們只是附和讚嘆他無可名狀的天才，只會赧然於自己對玄奧理論的無從理解，絕不會懷疑此些論說可能是瑕疵誤謬的。

科學在人類文化中樹立起信實地位的原由，來自科學創生思維的可驗證性。人們見識到科學在有限規範條件中，建立起可以預測的因果關係，也藉此造出許多實用工具，對於一些科學玄想，自然就有了深刻信心，認定一些看似難喻的玄想，終有其成就真實的一日，科學思維因此也就自然成為顛撲不破的真理。

回顧科學演進的歷史便可以知道，許多後來視之為近代科學的代表人物，在歷史演進的當下，其實是站在後來科學所謂主流思維的對立面。標誌實驗科學代表人物的波以耳，他便不信服以往的風火土水四元素論及引領化學主流思維的汞硫鹽三元素論，堅持宇宙由上帝創造的最小成分形成，他認為自己的實驗科學結果，證明了上帝的真實存在，煉金術也比合成化學更有價值。

當然，實證科學所觀照事物因果的簡單而貼近的特性，使其知識內涵易於轉化為實用工具，造成人類文明面貌的巨大改變，科學在利之所趨人性的導引下，自然走向立竿見影的實徵致用之路，也走出科學坐上人類宇宙思維主流寶座的歷史事實。

知識創造總無法自外於社會需求的衡度，由波以耳以降，近代科學的實證之路，雖說面對質疑與挑戰，終究還是開枝散葉，愈益茁長成蔭，伴隨著歐洲文明的擴張興起，科學更成為世紀的顯學，十九世紀下半以降迄今，人們多只企盼科學思維的新境，少有質疑其究竟如何。

但是科學創造波瀾壯闊、日起有新，在有限規範條件下受檢證之前，到底哪些才是有價值的呢？此種對於科學玄思的質疑，甚至到二十世紀初的愛因斯坦廣義相對論，也不可避免，英國愛丁頓（Arthur Eddington）爵士的東非洲日全食探測，雖說一夕揚名，日後仍不免對於其所用底片曝光可靠度的懷疑，但是社會信了，愛因斯坦坐上科學王座，一直到今天，當下的熱潮是競相砸錢建造大探測器，找尋那虛渺微妙的引力波。

懷疑論者是有的。十九世紀英國算則計量先驅，有稱他為近代計算機之父的巴貝奇（Charles Babbage），就提出以對作者著作計量的方式，來衡量一個人的科學貢獻，巴貝奇一生提出過許多奇想，大多沒有得到重視，這個想法也不例外，但是他沒有想到，當今科學界已然拳拳服膺此議，讓不計其數科學研究者浮沉論文計量的大潮之中。

巴貝奇的構想受到質疑並不奇怪，因為一個人的創造貢獻，如何能以數量衡度，不過他的想法還是帶來影響。一八六八年英國皇家學會出版了頭一冊的《科學論文目錄》（Catalogue of Scientific Papers），雖然編目選擇標準引起批評，至少設定了一個查核評比標準，也讓許多科學中人援引利用。不過那冊《科學論文目錄》，不但收錄科學論文的來源性質不一，甚至文獻內容的寫作引用，以及作者的貢獻，都有爭議，以今天的學術常規來看，已經可歸之於學術不當行為。

到了二十世紀，美國學術界開始有「不出版就走路」（publish or perish）的概念，但是學術界光是追求論文出版數量，卻無法保證其質量的水準，因而也總想法子來矯正缺失，一直到一九六〇年代，美國語言學出身的專家加菲德（EugeneGarfield）開創出一個衡量科學論文價值的辦法，稱之為科學引用指數（sciencecitation index, SCI），計量一個科學研究者在選定刊物上發表論文，受到他人引用的指數，現今科學引用指數已成為科學界衡量科學研究者貢獻的主要標準。

這個標準在世界各個國家的科學界，受到不同程度的重視，得到共識與支持，也不可避免要引起許多批評。現在許多科學研究者倡議要有更好的評核標準，譬如十多年前由一個物理學家提出的 h 指數（h index），似乎得到相當好評。當然現在的所謂網上自由發表論文平台，跳過以往論文經由同儕評審（peerreview）才發表的辦法，由網路自由大量的評審來定奪價值。

回到科學或是人類創造的本質，那本來是出自人眾又再回到凡塵的活動，自不可能真正有「秋水文章不染塵」的絕對自在脫俗。尤其科學成為人間顯學，人人嚮往欣羨，也總希望他們奉獻出的膏脂，能夠帶來傲視宇宙的視野、豐沛的實質利益、長久的生命存在。於是，急功近利、近名這些人性本質，就宰制著社會設定出的衡量科學標準，宰制著科學大洋中的云云眾生，也決定著我們對於宇宙生命的認知視野。

——本文摘自《一生必修的科學思辨課》，2021 年 9 月，天下文化。

德普羅尼編製的十七冊數值表深藏於法國科學院，十多年後被英國數學家巴貝奇無意發現。德普羅尼所用的差分法啟發巴貝奇著手打造差分機，可自動算出對數表與三角函數表，並直接印出來。但差分機所費不貲，花了英國政府兩艘軍艦的錢，經過十年仍未完成，它的最終命運會是如何？

本文為系列文章，上一篇請見：度量衡革命，計算方法也跟著革命！│《電腦簡史》 齒輪時代（十七）

對數表問世已兩百年，仍無完全正確的版本

「我真希望這些計算當初是用蒸汽機做的。」還是大學生的巴貝奇望著眼前的對數表大嘆。

根據巴貝奇的回憶，那應該是 1812 年或 1813 年在劍橋大學的時候。他與同學赫歇爾 （John Herschel ）、皮考克（George Peacock）三人都不滿意學校採用牛頓的「流數」，而不是萊布尼茲的記法來教授微積分，於是創立名為「分析學會」的社團，大力宣揚萊布尼茲的版本。某一天，赫歇爾進來社團看見巴貝奇坐在桌前發呆，問他在想什麼，這句話便從他嘴中脫口而出。

巴貝奇這句話反映出對數表令人又愛又恨的無奈。如上上一篇所說，儘管萊布尼茲等人發明了各種計算器，卻因為造價太高，成為少數權貴才能擁有的收藏品。而對數尺雖然便宜實用，卻只能計算到三位數，所以若要做更精確的計算，對數表還是不可或缺的輔助工具。

問題是，對數表並不是那麼可靠，因為其中有不少數字是錯的。

錯誤來自於各個環節的人為疏失。首先在計算一個一個數值時，就難保偶有計算錯誤；就算計算結果沒錯，在謄寫到表格上時也可能不小心抄錯。等到書稿完成付梓時，排版工人或許又會誤植數字。因此最後印製成書的對數表總是會有些許錯誤，無一例外。事實上，巴貝奇就曾買了不同版本的對數表來比較，發現許多數字並不一致，也難怪巴貝奇要如此感嘆，希望能用蒸汽機自動產生對數表，就不會有人為疏失。

什麼都改用蒸汽機了，難道不能拿來算對數表？

巴貝奇這個念頭並不算荒誕，畢竟當時工業革命已經進行了半世紀，蒸汽機大量用於礦場、鋼鐵廠、紡織廠等場域，不僅節省大量人力，而且許多製造程序改由機器自動規律運作後，也減少許多人為疏失，大幅提高良率。既然已有現成的機械式計算器，那麼用蒸汽機推動計算器，自動算出對數表，甚至同時列印出來，也不是不可能。

事實上，巴貝奇對機械並不陌生，他孩提時期倫敦不時有各種自動機器的展覽會，展出機械鐘表、音樂盒、機械人偶等新奇科技，母親看他深受吸引，便常常帶他去參觀。有一次他還受邀到一個工作室參觀製作中的機械玩偶，其中一具芭蕾舞孃會隨著音樂翩翩起舞，姿態生動優美，更令他深深著迷。

雖然巴貝奇喜愛機械，還曾於 1813 年小試身手，發明一款新的機械鎖，但他可沒打算投身製造計算機。畢竟他的本業是數學，而他只想盡快謀得教職，證明自己是個自力更生的紳士，而不是坐享家產的紈绔子弟。然而儘管巴貝奇的數學才能頗受肯定，還於 1816 年獲選為英國皇家學會院士，他仍然好幾年都找不到工作。

巴貝奇人生轉捩點：法國的十七冊數值表

直到 1819 年，巴貝奇的生涯出現了轉捩點。這一年，他偕同好友赫歇爾前往巴黎造訪法國科學院，結識了拉普拉斯、傅立葉（Joseph Fourier）等數學巨擘，順便參觀院內的收藏。德普羅尼十七冊的對數表與三角函數表立刻引起巴貝奇的注意，在得知它們的製作方式後，更讓他銘記在心。

返國第二年，巴貝奇與赫歇爾等人發起成立天文學會，宗旨之一就是改善天文計算。這裡要稍微介紹赫歇爾這個人。其實他的父親威廉·赫歇爾（William Herschel）在天文學的地位更加崇高，不但發現天王星與土衛一、土衛二，還發現上千個星雲，進而推測出太陽並非宇宙的中心，而是繞著銀河系中心移動。約翰·赫歇爾子承父志，轉換跑道成為天文學家，也做出許多貢獻，劍橋大學一畢業就獲選為英國皇家學會院士，比巴貝奇還早三年。巴貝奇一路上始終有這位好友的支持與協助。

剛成立的天文學會隨即決定修訂《航海天文年鑑》（The Nautical Almanac），由赫歇爾與巴貝奇兩人負責監製。沒多久巴貝奇就屢屢發現計算結果有誤，「真希望這些計算當初是用蒸汽機做的」，大學時的感嘆再次襲上心頭，不過這一次他真的要著手打造這麼一部機器了。

讓巴貝奇起心動念的正是他 1819 年造訪法國科學院的收穫。

德普羅尼的成果證明大部分的計算工作可以化為不斷重覆的加法，交由一群不懂數學的美髮師計算。而他在法國科學院也看過巴斯卡加法器，了解齒輪如何相加進位的原理，所以他只要同樣用差分法拆解函數，找出初始值與差值後，交由加法器不斷累加就可以了。當然，他得設法讓幾十具加法器一起運作，才能像幾十個計算員那樣迅速算出函數值。這會很難嗎？巧得很，巴貝奇也在 1819 這一年與「土耳其人」下了一盤棋，雖然他也不相信機器會思考，認為真正下棋的是躲在櫃子裡的真人，但這次對弈似乎勾起他幼時的回憶，當年那個熱愛自動機器的小男孩，又在他心中甦醒了。

差分機是護國神器或只是個大錢坑？

巴貝奇於 1820 年開始設計，經過不斷嘗試，終於在 1822 年完成一個三個立軸的小型樣品。三個立軸相當於三個加法器，可以在兩分半鐘內算出函數 f(x) = x² + x + 41 的前三十個函數值，相當於每分鐘計算 33 個數字。巴貝奇將這部機器取名為「差分機」（Difference Engine），除了在天文學會演示，他也同時寫信給相關人士，尋求政府挹注研發資金。

巴貝奇在信中再三強調正確的對數表與三角函數表有多重要，關係到英國在海權時代與工業時代是否能不落人後；他設計的差分機不但能迅速正確地算出數值，還會將計算結果直接印製成表，避免排版印刷時出現錯誤，一勞永逸。巴貝奇的訴求打動英國內閣，而且天文學會與英國皇家學會也都大表贊同，於是英國政府於 1823 年先撥款一千五百英鎊給巴貝奇開始開發。

然而事情沒有巴貝奇想像那麼簡單。首先巴貝奇在市面上找不到可用的現成零件，也沒有工廠願意為他特別訂製，他只好雇用工匠自己打造所有機件。而差分機的零件都需要極高的精密度，數量又多，因此還得先打造製造零件的工具與模具。零件組合後，運作情況有時又不如預期，巴貝奇就得變更設計，於是開發時程與經費都遠遠超乎原先計畫。

到了 1832 年，巴貝奇好不容易組裝出六個立軸的模組，可以做到二階差分，計算到六位數。雖然看似不多，但重點是奇數軸與偶數軸可以交替同時運作，有了這個突破性的設計，差分機完成後將能做到六階差分，快速完成 20 位數的計算。巴貝奇希望這足以說服內閣繼續撥款支持。但差分機預計使用兩萬五千個零件，將會是高二米六、寬兩米三，重達兩噸的龐然大物，而巴貝奇展示的模組卻只是整體的七分之一。

英國政府前後已經挹注了一萬七千英鎊，足以打造兩艘軍艦。遠遠超出原先預期，因此內閣官員決定暫時擱置，多方徵詢意見再決定是否繼續此計畫。沒想到最後將差分機推上斷頭台的，卻是巴貝奇自己。

巴貝奇於 1834 年底回覆首相的信中，竟坦承已無意繼續完成差分機。倒不是做不出來，而是他已構想出更厲害的「分析機」 (Analytical Engine) 。分析機不但具有差分機的功能，還能計算其它所有數學問題，所以與其繼續原有計畫，不如轉而投入開發功能更強的分析機。

是的，差分機說穿了就是一部大型加法器，而巴貝奇設想的分析機則加減乘除都可以計算。但是讓分析機在計算機歷史上佔有特別地位的，並非它的計算功能，而在於它是第一部可編程的計算機。可編程這個點子來自一個看似毫無關聯的機器——織布機，而這還得從巴貝奇的上個世紀談起。

本文為系列文章，上一篇請見：邁向商用化——電腦產業的形成│《電腦簡史》數位時代（十五）

真空管的先天缺陷：易報銷

二次大戰後，電腦全面使用真空管後，速度大幅提升，隨著需要大量計算的企業越來越多，電腦前景看似一片光明。不過當電腦上線運作後，真空管的先天缺陷終於曝露出來，嚴重阻礙電腦產業的發展。

真空管是靠加熱極細的燈絲而產生游離電子，電子被吸引至做為正極的金屬片而產生單向電流。由於燈絲與電極都會逐漸耗損，真空管的壽命原本就不長；即使是特別為電腦生產的真空管，在正常狀況下也不過能用兩千個小時。更何況在進行高速運算時，真空管不斷開開關關，燈絲很容易因此燒斷而提早報銷。

一部電腦至少有幾千個真空管，只要有一、二個壞掉，就會影響整體電路的運作。以 UNIVAC 為例，平均故障間隔 (MTBF, Mean Time Between Failures) 的時間不超過 24 小時；美軍的 ENIAC 用的真空管超過一萬七千個，MTBF 更是只有 12 小時。而一旦發生問題，要排除故障也相當耗費時間，平均得花幾個小時才能找出損壞的真空管，予以更換。

電腦如果動不動就得停機檢修，不僅效益大打折扣，還會影響正常作業，誰想花大錢購置電腦卻惹來內部抱怨連連。可靠性的問題沒有解決，電腦就難以獲得全面採用，只是真空管的物理特性就是如此，能再改善的空間有限，只能期待全新的電子元件出現。

如今我們知道，這革命性的電子元件就是電晶體。它不僅解決了可靠性的問題，而且大幅降低成本、縮小體積、提升速度，讓電腦改頭換面，並催生出各種電子產品，人類文明從此邁入新紀元。電晶體之所以能帶來革命性的改變，乃因它是奠基於一種革命性的材料——半導體。要知道電晶體如何發明，得先知道什麼是半導體。

半導電性：導體與絕緣體之間

顧名思義，半導體就是具有半導電性的物體。但何謂半導電性？

我們知道不同元素有不同電子數，以原子核為核心，由內而外分布於不同殼層。越外層的電子能量越高，其中最外層的電子稱為「價電子」，所處的能階稱為「價帶」。價電子仍被束縛在原子內，所以無法導電，必須獲得能量躍遷到「傳導帶」才能導電。傳導帶與價帶的能量差距稱為「能隙」，導電性便取決於能隙的大小。

金屬的能隙非常小，甚至傳導帶與價帶有部分重疊，所以導電性很高；反之，絕緣體的能隙很大，價電子無法跨越，因此無法導電。半導電的能隙則介於金屬與絕緣體之間。

能隙的大小與價電子的個數有關。每個殼層可容納的電子數都有上限，當價電子殼層越接近填滿狀態，就越穩定，需要越多能量才能激發價電子跳到傳導帶；當價電子越少，就越容易脫離束縛，跑到傳導帶。

金屬的價電子通常不超過 3 個（過渡金屬除外），很容易形成自由電子，到處移動。絕緣體通常有 5 個或以上的價電子。碳、矽、鍺、錫、鉛等 IV 族元素有 4 個價電子，剛好是半滿狀態，導電性介於導體與絕緣體之間，屬於半導體。

IV 族元素如果摻雜其它元素，導電性也會跟著改變。例如把磷摻到矽裡面，因為磷有 5 個價電子，其中 4 個與矽共用後，還多一個價電子，就更容易跑到傳導帶成為自由電子，這種半導體稱為 n 型 (n 代表 negative)。

矽如果摻的是有三個價電子的硼，只差一個價電子就是最穩定的狀態，猶如有個「電洞」讓經過的電子落入陷阱。旁邊的電子掉進這個電洞後又產生一個新的電洞，形成骨牌效應，從另一個角度看，就像是帶正電的電洞會移動一樣，因此稱為 p 型半導體 (p 代表 positive)。

偶然發現半導體

除了摻雜，化合物也可能形成半導體。半導體最早被發現，就是與 IV 族元素無關的化合物。1833 年，法拉第有一次在做電力實驗時，無意間將燈火靠近硫化銀，結果發現導電能力竟然大增；一旦移走燈火，導電性又隨著溫度下降而降低。一般金屬在高溫時，導電性會變差，硫化銀卻剛好相反，令法拉第大感訝異。

硫化銀就是一種半導體。高溫之所以增加半導體的導電性，是因為熱能會讓更多價電子躍遷到傳導帶，因此增加了導電性。一般金屬原本僅需一點能量就能產生自由電子，集體往正極方向移動。但電子如果吸收太多熱能，反而四處亂竄，原本的定向性受到破壞，導電能力也就隨之下降了。

法拉第雖然發現半導體這個特性，卻無法了解其中原理。畢竟當時距離道爾吞提出原子說還不到 30 年，是否有所謂的基本粒子仍頗受質疑，更無從想像原子內部還有電子與原子核。因此法拉第發表這個奇特的現象後，就不了了之，也沒有人想到在導體與絕緣體之外，還有一種半導體。下次半導體再度躍上檯面，已是四十年之後。

1874 年，才 24 歲的德國物理學家布勞恩 (Ferdinand Braun) 在研究各種硫化物的導電性時，將硫化鉛接上電，卻發現檢流計的指針紋風不動。他試著調換正負極，結果指針馬上就有反應。這實在太奇怪了，一個物體的導電性應該是一致的，怎麼會因為正負極不同接法，一下是絕緣體，一下又是導體？

單向導電性是半導體另一項重要特性。硫有 6 個價電子，所以硫化鉛是 n 型半導體，一般情況下，電子只能從硫化鉛往正極移動，才會從另一個方向測不到電流。同樣地，由於當時仍然不清楚原子的構造（湯姆森於 1897 年才發現電子），不知如何解釋這個奇特現象。

大家毫無頭緒，單向導電性又看不出有何用途，因此布勞恩發表實驗結果後，並沒有激起任何漣漪。半導體再次受到忽視，要等到赫茲於 1888 年發表無線電波的實驗後，硫化鉛這類的半導體礦石才引起大家的興趣。

接收無線電波

赫茲的實驗吸引很多人投入無線電波的研究，印度科學家博斯 (Jagadish Chandra Bose) 也是其中之一。他發現 IV 族元素的礦石不但有單向導電性，而且不遵守歐姆定律：電流與電壓成正比。當施予礦石的電壓小於某個臨界值時，電流微乎其微；一但超過臨界電壓，電流便突然大幅增加。

博斯想到可以利用這個特性偵測微弱的無線電波。只要先對接收裝置施以適當電壓，讓無線電波所產生的感應電壓恰好超過臨界電壓，電流便會出現明顯變化，就能如實呈現無線電波。

1894 年，博斯將金屬天線的一端與硫化鉛的表面接觸，做成無線電偵測器（也稱「檢波器」），成功接收到一英哩之外的無線電波，這中間還隔了三道磚牆。

馬可尼 (Guglielmo Marconi) 也在這一年發明無線電報系統，兩年後他和博斯在倫敦會面，不過博斯對商業應用不感興趣，並未與馬可尼合作。馬可尼也沒有採用博斯這個技術，而是利用感應電流產生的磁場變化，來吸引金屬屑或發出聲響，作為判斷電波的依據。

事實上，博斯自己後來也改用別種技術設計檢波器，因為礦石檢波器的確不是很靈光。礦石中的雜質分布並不均勻，不是每次用金屬線接觸硫化鉛表面都能形成迴路，往往得嘗試很多次才能找到「熱點」，得到訊號。

儘管如此，AT&T 的工程師匹卡德 (Greenleaf Pickard) 仍看好礦石檢波器的潛力，試圖找出收訊效果更好的礦石。

1902 年，匹卡德檢測一塊礦石的熱點時，懷疑施加的電流造成背景雜訊太大，於是伸手拿掉部分電池，結果雜訊果然馬上消失，無線電的訊號變得清楚許多。這時他看了一眼器材，才發現他剛剛不小心把電池的接線弄掉了，也就是礦石檢波器竟然不需要電，就可以接收無線電。

這個奇妙的現象完全違背過去的認知，於是匹卡德更加專心研究還有哪些礦石不用電就可以當檢波器。他花了三、四年的時間測試上千種礦石，發現有 250 種可以做為天然檢波器，其中又以熔融後的矽（原本用來製造石英玻璃）收訊效果最佳。

礦石收音機

匹卡德進行實驗的這段期間，無線電也正在發展另一項應用：傳送聲音。當時電話已是成熟的技術，可以將聲音轉換為音頻訊號，但音頻是連續波形，無線電波卻是脈衝電波，因此只能靠長／短、有／無來代表摩斯密碼，無法傳送音頻訊號。

1900 年，加拿大發明家范信達 (Reginald Fessenden) 發明一種高速交流發電機，終於能產生連續波形的無線電波（稱為「載波」，波形為規律的正弦波）。

原本規律的載波與音頻疊加後，變成起伏變化的無線電波，電波的振幅大小便代表音訊的變化。這種調變電波振幅的技術便稱為「調幅」(Amplitude Modulation, 簡稱AM)，就是現在 AM 廣播所用的技術。

調幅無線電到了接收端，還得經過「解調」才能還原成原來的音訊。首先，由於天線接收無線電波後，所產生的感應電流也是交流電，因此必須先把反方向的電流去掉，成為單一方向的直流電；這個步驟便稱為「整流」。接著再濾掉其中的載波，留下的就是原來的音頻訊號。

范信達直到 1904 年才成功做出有整流功能的檢波器，並於 1906 年的聖誕夜成功發送 AM 廣播到大西洋上的美國軍艦。不過范信達所發明的檢波器不易製造，又常需要調校，只適合專業人士使用。而半導體的單向導電性恰好可以將交流電整流為直流電，這類礦石便可直接做為無線廣播的檢波器。

1906 年，匹卡德獲得矽石檢波器的專利，並在隔年創立公司，製造用耳機收聽的礦石收音機，銷售給一般大眾。由於價格低廉、體積小巧又不需要電，因此頗受歡迎。礦石收音機成為史上第一個半導體商品；誰會想到如今半導體與各種電子產品密不可分，但最早卻是以不用電為訴求。

三極真空管橫空出世

就在匹卡德於 1906 年申請專利這一年，美國專利局也收到另一項影響更深遠的專利申請，那就是由德佛瑞斯特 (Lee De Forest) 改良的新型真空管。

原本弗萊明 (John A. Fleming) 於1904 年發明的真空管只有正負兩極，德佛瑞斯特用金屬柵格擋在金屬片與燈絲之間，變成除了正、負極，還多了「柵極」(Grid) 的三極管。

柵極用來控制電流大小。當柵極施以負電壓，產生的電場與電子相斥，部分電子便被擋下，無法抵達正極金屬片，電流也就變小了。負電壓越大，被擋下的電子越多，電流也就越小；柵極就像家裡的水龍頭，不用動到水管的閥門，就可以各自調節水流大小。

德佛瑞斯特原本設計三極管只是為了調節電流，他沒想到六年之後，這項設計竟被發掘出放大訊號的功能。

原本只有二極管時，若要調整電流大小，正極電壓就要有相對幅度的改變，就如前面水管的比喻，沒有水龍頭的話，只能從源頭閥門控制水量。例如要讓電流從 12 mA 減半降為 6 mA，電壓要從 110 V 降到 60 V；但若使用三極管，則無須改變正極電壓，只要對柵極施以 -2 V 的電壓就可以了。

三級管的電壓變化只需二級管的 1/25 ，便能達到同樣的效果（若搭配適當的阻抗，相差還能到百倍以上），就像水龍頭那樣，轉動一點點，出水量就差很多。如果讓柵極做為訊號的輸入端，正極做為輸出端，那麼原本微弱的訊號，就會放大成強烈的訊號。

有了三極管做為訊號放大器，無線電可以傳得更遠，收訊效果也更好，而且收音機還可以配上喇叭。隨著廣播電台自 1920 年代開始快速發展，真空管收音機也進入一般家庭，成為民眾重要的休閒娛樂與資訊來源。相對地，礦石收音機的收訊效果與方便性都遠遠不如，自然不受青睞，逐漸沒落。好不容易找到舞台的半導體於是又被棄置一旁，沒想到十幾年後，同樣是由來自 AT&T 的工程師，再度讓半導體起死回生。

真空管搞不定短波

三極真空管有助於無線廣播，當然也有助於電話傳得更遠。 AT&T 利用真空管擴大電話網路，於 1915 年開通橫跨東西兩岸的長途電話。1927 年 1 月 7 日， AT&T 總裁進一步透過無線電波，從紐約打電話到倫敦，完成史上第一通越洋電話。不過這通電話只是試驗性質，真要提供越洋電話服務，還有項技術問題須要克服。

紐約與倫敦相隔甚遠，無線電波無法橫越地表弧度直接送達，必須經大氣的電離層反射到地面。然而一年四季、晴雨晨昏，大氣條件都不一樣，對電波的影響也大不相同。因此若要維持越洋電話全年暢通，通訊設備須要能夠收發不同波長的無線電波。不過真空管在高頻（也就是短波）的表現不是很好，如何克服這個問題便成為貝爾實驗室的首要任務。

貝爾實驗室於 1925 年成立，初期的工程師大多從 AT&T 陸續轉調過來，歐偉 (Russell Ohl) 也是其中之一，他對無線電的興趣始自大學時期。1914 年第一次世界大戰爆發，當時大學二年級的歐偉，在課堂上第一次聽到礦石收音機發出聲音，而且竟然是遠在大西洋的英國船隻，遭到德國潛艇攻擊所發出的求救訊號，從此他便對無線電深深著迷。

歐偉原本在 AT&T 就是負責短波的研發，1927 年轉到貝爾實驗室後仍繼續這個項目。他們不斷將無線電電波推向更高的頻率，但最終遇到瓶頸難以跨越。當其他同事仍執著於真空管時，歐偉於 1935 年決定從頭開始，一一檢視過去無線電的各種實驗與論文，從中發掘可行方案。最後他把目標瞄準礦石收音機的矽石，相信這才是解答。

一道裂痕開啟「矽」的半導體時代

礦石收音機不是才被真空管淘汰嗎？同事與主管都認為歐偉異想天開，但他認為只要去除矽石中的雜質，就能收發頻率更高的無線電波。歐偉自己多次嘗試用矽粉製造，卻不得其果，最後終於在 1939 年找到具有冶金專長的同事，用高溫熔製的方法精煉出高純度的矽。

1940 年 2 月 23 日，歐偉決定檢測一塊去年製出的矽石，據他的同事說，這塊矽石相當奇特，每次測的導電性都不一樣。歐偉仔細檢查這塊矽石，發現中間有條裂痕，他猜想這就是導電性不一致的原因，原本不以為意。但他接上示波器，赫然發現矽石在檯燈的照射下，竟然會產生電流。

光電效應是會產生電流，但那是以紫外線照射金屬，而這顆 40 W 的燈泡發出的是可見光，矽的導電性也遠遠不如金屬。雖然美國發明家弗里茲 (Charles Fritts) 曾於 1884 年將硒鍍上金箔，做成太陽能電池，但這樣的光伏效應 (Photovoltaic effect，也稱「光生伏特效應」) 轉換效率非常低，只有 1% 左右。歐偉所測到的電壓，超過當時所知的光電效應與光伏效應十倍以上，絕對是項前所未有的發現。

歐偉趕緊找主管來看，同時和同事繼續深入研究這塊矽石。他們發現電流總是由裂痕的上半部流往下半部，而不會反向而行。經過進一步分析發現，裂痕兩邊含有不同的雜質，上半部含有少許的硼，而下半部的雜質則是磷。

他們推測應該是這塊矽石經過高溫熔化，在自然冷卻的過程中，較重的磷下沉得比較快，較輕的硼下沉得比較慢，裂痕出現的地方剛好將這兩種元素阻隔開，以致矽石的上、下半部各有不同的雜質。

歐偉推測電流就是兩邊不同的雜質所致。磷有 5 個價電子，而硼有 3 個價電子，在白熾燈泡的照射下，磷的多餘電子被激發而越過裂痕，填補含硼那一邊矽石的電洞，而產生電流。這就類似電池的負極提供電子給正極，於是歐偉也用「n型」、「p型」來稱呼這兩種矽石，然後把劃分兩邊的裂痕——也就是這兩種半導體的接觸面——叫做「p-n 接面」(p-n junction)。這幾個名稱便一直沿用到現今的半導體。

半體體的基本名稱不但源自歐偉的命名，如今我們懂得利用摻雜來改變半導體的導電性，也是始自他這次的發現。不過對歐偉而言，他一心只想研究無線電波，發現半導體的光伏效應只是偶然，他無意也沒有能力再深究其中原理。

半導體的後續研究隨即由貝爾實驗室另一個團隊接手，這群有量子力學背景的物理學家將釐清 p-n 接面的奧秘，進而發明改變世界的電晶體。