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矽谷半導體晶片的新趨勢!來自區塊鏈、加密貨幣的觀察——《矽谷為什麼》

商周出版_96
・2022/07/08 ・3077字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 專訪陳柏達/Chain Reaction 全球供應鏈管理總監

特斯拉(Tesla)在 2021 年 5 月宣布,由於對比特幣(Bitcoin)耗能的疑慮,將暫停以比特幣購車的方案,此話一出,造成比特幣價格直接崩跌。

這也證明,區塊鏈技術的應用已經不僅限於虛擬貨幣(Virtual Currency),對於許多人的數位資產也有極大影響力。

特斯拉 在 2021 年 5 月宣布暫停以比特幣購車的方案,造成比特幣價格崩跌。圖/Pexels

區塊鏈技術這幾年來被大量應用在資訊安全、金融支付等消費端的領域。目前任職於以色列區塊鏈晶片設計新創 Chain Reaction 的陳柏達(Joseph Chen),擔任全球供應鏈管理總監(Global Supply Management Director), 職涯由半導體技術研發工程師開始拓展到產品行銷、業務及供應鏈管理。

經歷設備製造源頭(應用材料(Applied Materials))、良率管理(普迪飛(PDF Solutions))、晶圓製造(台積電)至 IC 設計(Fabless Design House),熟悉各層半導體產業生態圈的他說,特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)的發展與普及,將加速區塊鏈的應用與規模化,讓我們來聽聽他在產業二十年來的深度觀察。

從小到大都在台灣求學的陳柏達,為什麼會轉進矽谷?

「我從小念書就很順遂,到了大學突然覺得很迷惘,不知道自己想要追求什麼。直到大二到史丹佛大學參加暑期學校,發現美國大學生的學習方式跟台灣真的有很大的不同,都很有想法並可以盡情發展自己的興趣與方向,故一直嚮往至矽谷繼續深造。」

臺灣大學畢業後,陳柏達進入史丹佛念研究所,從化學工程轉進半導體材料科學,取得博士學位後進而留在矽谷工作與生活。

陳柏達指出,半導體產業屬於金字塔架構,包括從底層的晶圓製造,如台積電、應用材料等,到晶片設計、系統整合等,各層都有它不可取代的專業,但越往金字塔頂端走,就越可看到全貌。

矽谷在區塊鏈的新型態定義不斷發生中

區塊鏈技術這幾年來被大量應用在資訊安全、金融支付等消費端的領域。圖/Pexels

IC 設計結合區塊鏈的加密技術是以色列區塊鏈晶片設計新創 Chain Reaction 的重要優勢。

陳柏達觀察到,以色列得天獨厚的培育與聚集了世界級優秀的 IC 設計人才,加上在區塊鏈加密演算法上擁有以色列前情報局資深技術人才的加持,讓 Chain Reaction 公司在區塊鏈硬體產業上具不可取代的重要地位。

中國近年來不斷打壓加密貨幣,但其他國家卻在加密貨幣的發展上越來越蓬勃。陳柏達指出,全球的區塊鏈趨勢主要可以分為兩部分來看:

  1. 軟體的創新:矽谷的軟體發展相當快速,許多創新的定義,包括像是加密貨幣交易所 Coinbase Global 平台的推出、NFT 應用在藝術品等獨一無二的數位收藏,矽谷正快速地定義許多新型態的軟體應用。
  2. 硬體應用:區塊鏈的硬體發展目前主要在加密貨幣計算(俗稱挖礦)的應用,之前市場主要集中在中國,但也隨著中國的限制,加速整體外移至美國及其他地區。而目前 Chain Reaction 的 ASIC 區塊鏈加密晶片設計,可以加速區塊鏈基礎建設的設置。

目前矽谷在區塊鏈產業上的軟體應用與產業很多,但硬體的確有限,而 Chain Reaction 的硬體即以美國市場為主。

陳柏達指出,未來硬體不單只是挖礦,最終將由雲端的資料中心提供所有軟體應用,在此架構下,專注於加密的晶片設計將有助於硬體進行特定需求的運算。Chain Reaction 也希望與矽谷正蓬勃發展的軟體相互結合,藉此提供最底層的運算,讓應用端可以更加普及。

陳柏達指出,現在的加密貨幣都是從加密協定中運算出來,而挖礦就是運用計算能力產生出協定的數量和交易的次數,我們稱之為帳本。這些需求需要具有經濟規模(更快速與更便宜)的計算力。

以工廠為例,機器的產能會產生限制,但可以透過更優化的 IC 設計擴增效能,增加計算力,就可以加速推動加密貨幣運算與加密經濟及產業發展。

以現在的 5G 來看,電信業者以前主要都是系統營運商,建立 5G 基礎建設後,發現更可以善用 5G 架構提供更多服務,區塊鏈也是其中之一。但如果要提供區塊鏈服務,目前的資料中心硬體其實是不夠用的,ASIC 晶片強化計算效率,將能協助供應商以更便宜的價格創造更高的經濟規模。

建立 5G 基礎建設後,發現更可以善用 5G 架構提供區塊鏈使用。圖/Pexels

仰賴台灣供應鏈,強打「以色列設計,台灣製造」

台灣擁有晶圓供應鏈上無可取代的地位,目前陳柏達所服務的 Chain Reaction 相當仰賴台灣供應鏈提供高品質與成本優勢的 ASIC 晶片。

除了晶片,所謂的挖礦機,其實也就是電腦,台灣有包括廣達、技嘉、華碩等組裝大廠,擁有絕佳優勢。目前礦機的電腦仍然以挖礦的運算為主,未來不只用於挖礦,包括 5G 資料中心運用,區塊鏈的更多應用都可以在這裡被滿足。陳柏達也指出,目前公司的產品也都強調「以色列設計,台灣製造」。

台灣擁有晶圓供應鏈上無可取代的地位。圖/Wikipedia

北美台灣工程師協會,為海外台灣人開創更多機會

陳柏達也在 2020 年加入北美台灣工程師協會理事會,北美台灣工程師協會是一個成立於 1991 年的非營利組織,以科技技術領域為主軸,為美國和加拿大的海外台灣人及其社群提供不同的機會與培訓,定期舉辦各種年度技術分享會議、研討會等,例如美國台灣高科技論壇(UTHF)、美國台灣新創論壇(UTSF)及 Women’s Summit 等。

北美台灣工程師協會希望透過過去三十年累積的人脈、資源與經驗,可以以導師的角色幫新創尋找大公司的痛點,讓新創有更實際落地應用的機會,陳柏達也希望以台灣、美國、以色列的多國經驗,協助台灣人才有更多的成長與發展。

= KT 筆記/ 謝凱婷=

與 Joseph 是在北美台灣工程師協會相識,很感謝他長期致力推動台灣人在美國科技業的影響力,舉辦很多美國台灣高科技線上論壇,讓台灣與矽谷的人才和趨勢接軌,並團結台灣人在美國的力量。

擁有多年台積電經驗的他,精準地看到區塊鏈的產業趨勢,大膽跨出舒適圈,加入了以色列晶片新創,投入到區塊鏈晶片領域,並對世界各國在區塊鏈發展的速度暸若指掌。

尤其他以電腦算力和耗能分布,就能精確指出中國市場和美國市場在挖礦電力的消長,並從中看到整個市場熱度的趨勢方向。

從 Joseph 對於傳統能源公司的描述中,也能了解區塊鏈技術將會徹底顛覆能源產業的未來布局。

在過去,傳統能源公司的價值結構和交易系統,因為區塊鏈產業的興起,而轉向更高效率的價值生態圈。能源的交易方式和商業模式也會進行巨大的變革,如德州和中東各國的能源公司正快速布局加密貨幣的投資和新能源的發展,並投入大量的人力和技術來挖礦,這對未來的人類發展也有顯著的創新刺激,正推動著百年傳統能源公司的巨輪走向創新,更讓我們迎向一個嶄新的能源新世代。

——本文摘自《矽谷為什麼:科技、新創、生醫、投資,矽谷直送的最新趨勢與實戰經驗》,2022 年 6 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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洗澡時突然浮現:八叛徒的諾貝爾獎級專利,半導體的「平面製程」——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》
親子天下_96
・2022/07/17 ・5127字 ・閱讀時間約 10 分鐘

一場淋浴的時間,革命性想法突然浮現

1959 年 1 月初,赫爾尼早上起床淋浴時,一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來,他似乎看到了一線曙光,可以解決令大家束手無策的困境!

赫爾尼早上起床淋浴時,一個在他腦中深藏許久的念頭突然浮現出來。 圖/envato

根據貝爾實驗室的技術手冊,當矽晶圓完成摻雜後,必須用溶劑把表面剩餘的氧化層全部清除乾淨。因為擴散法應該也會把雜質摻入氧化層裡,若沒有全部移除,被汙染的氧化層恐怕會影響電晶體的導電性。不過如此就會讓 p-n 接面裸露在外,所以才必須用金屬外殼加以密封。

赫爾尼當時就懷疑氧化層是否真的會被汙染,就算會,真的會影響電晶體嗎?

他覺得氧化層有隔絕保護作用,保留下來或許利大於弊,但貝爾實驗室與同事都說照著技術手冊做就對了。後來要忙著趕 IBM 的訂單,他就把這想法擱在一旁,未再深入研究,現在他才突然想到如果有氧化層擋著,掉落的金屬碎屑就接觸不到 p-n 接面,也就不會影響電晶體了。

赫爾尼進辦公室後,連忙翻出當初所寫的筆記,重新整理謄寫。而在塗塗寫寫的過程中,腦中又冒出一個革命性的想法。

高臺式電晶體是先用擴散法在集極表面摻雜成基極,再用光刻技術在基極中央蝕刻出窗口,摻雜成射極。但何不一開始就用光刻技術做出基極?這樣底層的集極就不會全部被基極蓋住,集極、基極與射極三者都在同一平面,它們之間的 p-n 接面用同一層二氧化矽保護,只露出接腳的接觸點。由於電極彼此更靠近,效能會更好,而在製造上也更加簡單。

諾貝爾獎級的專利:平面製程

赫爾尼興奮的向諾宜斯與摩爾等人提出這個「平面製程(Planar process)」的構想,大家都半信半疑,違背技術手冊的指示,保留氧化層真的不會有問題嗎?不過目前也沒別的辦法,況且真的成功的話,不僅能解決眼下的問題,還能大幅提升電晶體效能與生產效率,讓快捷半導體的競爭力更上一層樓。他們決定放手一搏,同時趕緊找專利律師申請專利。

赫爾尼的平面製程概念(左圖)與高臺式電晶體(右圖)比較。平面製程的電晶體讓基極、射極和集極都在同一個平面上,並且都受到二氧化矽保護。圖/親子天下

「你們希望這項專利涵蓋哪些範圍?」專利律師開頭就先問這個問題。

諾宜斯等人頓時都愣住了,不就電晶體嗎?律師才進一步解釋:「這平面製程不是一種製造方法嗎?除了電晶體,也可以用來製造其他半導體元件吧?」

摩爾見諾宜斯還在出神中,只好出聲回答:「當然可以。要的話,二極體、電阻、電容這些也都可以用平面製程,但意義不大,這些也不是我們的目標市場。」

「為什麼?」

「因為這些元件構造簡單,沒必要用平面製程,純粹看生產規模,規模越大,成本越低。這是德州儀器、雷神這些大公司的優勢,我們只能攻電晶體,以技術取勝。」

律師點點頭:「那就只針對電晶體申請專利保護囉?」

「等一下!」神遊中的諾宜斯突然插進來,卻又思索了一下才說:「還是把其他半導體元件都納進來好了。別誤會,我沒有要做這些東西,只是剛剛想到——如果用平面製程把它們都放在同一片晶圓上呢?

大家不解的望著諾宜斯,只見他站起來走向黑板,一邊問大家:「你們想想,IBM 拿到我們的電晶體之後,再來呢?」

接著諾宜斯在黑板畫起一個一個小方塊,說:「他們得把電晶體、二極體、電阻、電容這些元件一個個銲接到電路板上。我估計全部至少有幾百顆,甚至上千顆吧,每顆都要接上金屬電路,還得有銲接的空間,結果元件本身所占的空間其實不到一半。」黑板上的圖就像幅地圖,上面坐落著一棟棟平房,空地與道路占了大片土地。

電路板上的各種電子元件就像地圖上的房子,有大半的面積被空地與道路佔據,房子(電子元件)只占一小部分。 圖/Pixabay

「不只如此。」諾宜斯再用紅色粉筆在小方塊中間畫個小圈圈,說:「每個元件真正有用的只有這裡,其餘只是外殼包裝。你們看,如果只有這些小圈圈,讓它們彼此緊鄰在一起,空間就只有原來電路板的 5% 不到吧。」

大家似乎開始明白諾宜斯要說什麼,但貝仍疑惑的問道:「我可能沒你們懂,但怎麼可能沒有外殼,還緊鄰在一起?它們得有保護,彼此也得分開才不會漏電,不是嗎?」

赫爾尼微笑著替諾宜斯回答:「二氧化矽可以提供保護,也能用來區隔元件。我只想到多做一次光刻技術,但既然能做兩次,當然三次、四次、……要幾次都可以,就能把各種元件都做在一起。」

摩爾接著說:「而且蝕刻出的缺口不僅用於摻雜,也可以蝕刻出複雜的溝槽作為電路。既然每個元件的接觸點都在同一平面,便可以像印刷電路板那樣,直接把銅線印在溝槽上,原來在電路板上的電路就都整合在一個晶片裡了。諾宜斯,這真是絕妙的點子!」

「這得感謝赫爾尼先想出平面製程。不過這只是個概念,具體上要怎麼做,摩爾,我們倆再一起研究。」

貝興奮的說:「這只要做出來,再貴我都賣得出去!我告訴你們,空軍的人一直在問我能不能做得更小呢。因為除了轟炸機,還有導彈、火箭也都要裝上電腦,它們的空間更小,電腦越小越好,到時候這些訂單非我們莫屬。」

被捷足先登的專利申請

的確如貝所說,美國政府正在傾全力推動太空計劃,並加強國防科技。因為蘇聯在 1957 年 10 月 4 日,毫無預警的發射第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1),嚇了美國一大跳,發現原來蘇聯的太空科技竟然遙遙領先。萬一蘇聯將太空科技用於戰爭,勢必會取得空中優勢,甚至危及美國本土。

蘇聯第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1)1 : 1等比模型。 圖/wikimedia

因此,美國政府除了要軍方強化飛機、飛彈與各項國防武器的性能,同時在 1958 年 10 月成立「國家航空暨太空總署(NASA)」,整合資源與各界人才,以求在這場太空競賽超越蘇聯。軍方與 NASA 都有龐大預算,為了盡速達成任務,都願意採用最新技術,花起錢來也毫不手軟,對快捷半導體而言正是大好時機。

專利律師先針對平面製程申請專利,積體電路則還要等諾宜斯寫出具體方法,才能提出專利申請。不料,諾宜斯和摩爾尚在研究,3 月時竟然被捷足先登,德州儀器召開記者會,發表史上第一顆積體電路!

原來德州儀器的工程師基爾比(Jack Kilby)去年 6 月就提出積體電路的構想,然後在 9 月以手工做出一個晶片雛形,只有電晶體、電阻和電容三個元件,電路另外用金線銲接而成,雖然粗糙簡單,但確實能正常運作。如果德州儀器祭出專利保護,快捷半導體就無法開發積體電路這極具潛力的產品,嚴重影響公司的未來。

辭職風暴

屋漏偏逢連夜雨,在公司前途未卜之際,總經理鮑德溫竟然要辭職。諾宜斯等人錯愕又憤怒,要他當面說清楚。

貝先開口責問他:「鮑德溫,現在公司遇到問題,你身為主帥不面對處理,反而要先落跑,未免太現實了吧?」

「我如果真的現實,去年 IBM 訂單問題搞不定時老早就走了。人總是有更高的目標要追求,就這麼簡單。」

羅伯特忍不住嗆他:「更高?你已經是總經理,權力、薪水與分紅都比我們幾個創辦人高,還有什麼不滿意?」

鮑德溫平靜的回答:「我很感謝你們的禮遇,但總經理也只是受聘的經理人,再怎樣也和你們幾位大股東沒辦法比。」

諾宜斯真摯的說:「你如果嫌認股權太少,可以提出來啊。」

鮑德溫嘆了一口氣說:「那就說開了吧。有家國防承包商願意出資,讓我成立公司製造電晶體,一些工程師也會跟我走。」

公司前途未卜之際,總經理鮑德溫選擇辭職離開。(示意圖) 圖/envato

「什麼,你也太沒道義了!」「了不起,主帥帶兵投靠敵營。」「你這叛徒!」「你膽敢偷走技術,就等著被告!」憤怒的斥責馬上此起彼落。

「你們有什麼資格說我?你們幾個不也是背叛蕭克利自立門戶?」鮑德溫馬上惱羞成怒,展開反擊:「我不過帶走十幾個人,你們對原公司造成的傷害才大吧。論道義,你們更沒道義!我本想大家好聚好散的,現在也沒什麼好說了。祝你們好運,再見。」說完即頭也不回的走出門外。

會議室裡一片沉寂,大家不約而同想到當年從蕭克利半導體實驗室集體請辭的情景:平時易怒暴躁的蕭克利竟然一句話都沒說,鐵青著臉直接走出辦公室。反倒是貝克曼跑來找他們曉以大義,發現無法挽回後,隨即變臉威脅要控告他們侵權洩密。沒想到如今換他們嚐到這滋味了。

諾宜斯先打破沉默:「我們來討論總經理人選吧。你們有沒有想到誰還不錯的?」

克雷納舉起手說:「我覺得不要再從外面找了,找來難保又跟鮑德溫一樣。就諾宜斯你來當吧,這一年多來,你應該也學到不少經營面的大小事了。」

大家紛紛附議贊同,這次諾宜斯也不再謙讓,決定扛下這重責大任,研發副總一職便交給摩爾。

摩爾趁此時報告積體電路的應對策略:「我們和專利律師討論過了,德州儀器雖然先申請積體電路的專利,但他們的電路仍得用銲接的,而諾宜斯結合了平面製程與印刷電路,這兩項技術都不在他們的設計裡,應該可以認定為新發明。所以我們決定還是申請專利,無論如何,總比棄械投降來得好。」

基爾比與諾宜斯兩人的積體電路設計對比。左圖是基爾比的設計,可以明顯看出電子元件上都有額外拉出的電線。而右圖是諾宜斯的設計就簡潔許多,電線和電子元件都是平整的放置在一個平面上。圖/親子天下

「沒錯,不用管別人,我們就照原先計劃往前走。等送出專利申請、做出樣品後,我們也要舉辦盛大的積體電路發表會,讓所有人知道誰的技術管用。」諾宜斯馬上展現了總經理的氣勢。

積體電路的專利申請於 1959 年 7 月送出,未待審核結果出爐,本身是發明家的費爾柴爾德就以實際行動展現對他們的信心與支持,提前於 10 月執行選擇權,依當初合約所載,用三百萬買下全部股權。

八叛徒當初每人拿出 500 元,如今兩年不到就換回 25 萬元,當然是美夢成真,也讓外界人人稱羨。不過,卻有兩個人看在眼裡頗不是滋味,那就是蕭克利與貝克曼。

將希望壓在四層二極體的蕭克利

諾宜斯等人出走時,蕭克利仍不認為自己有錯,他得到的教訓反而是認為國內這些心高氣傲的年輕人不聽話又沒忠誠度,不如從歐洲招募三、四十歲的博士,他們更加成熟穩定,好用多了。何況八叛徒本來不懂電晶體,都是他一手教出來的,現在換另一批人,他當然也可以在短時間內就讓他們上手。

因此,無論面對貝克曼或是外界的質疑,他都信心滿滿的堅稱集體離職事件不會有任何影響,實驗室仍將正常運作。

然而,就算貝克曼也這麼認為,他對蕭克利半導體實驗室已有不同想法了。1958 年,貝克曼將它從集團的附屬機構獨立出來為「蕭克利電晶體公司」,顯然已不想再燒錢打造另一個貝爾實驗室,而是要它像一般公司那樣盈虧自負。

蕭克利終於在 1959 年成功開發出 p-n-p-n 四層二極體,卻因為品質不穩定,未能如他原先預想的用於AT&T 的電話交換機;而軍方那邊也沒能賣出多少,以致公司繼續虧損。

貝克曼決定不玩了,剛好克里夫蘭一家傳統企業也想跨足半導體,而蕭克利的名聲仍有相當吸引力,便在 1960 年將公司賣給他們。

蕭克利倒不在意換新東家,反正他仍然在原地繼續做原來的事,只要解決四層二極體的品質問題,還是有機會從 AT&T 拿到源源不絕的訂單,到時所有人——尤其是八叛徒,就會知道他才是最後的贏家。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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舉起時代的火炬,推動科技革命的巨輪:蕭克利與他的接面電晶體——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》
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・2022/07/16 ・3671字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

電晶體時代的來臨

巴丁辭職兩個月後,貝爾實驗室終於準備好讓點接觸電晶體走出實驗室。

貝爾實驗室總部。 圖/wikimedia

1951 年 9 月中旬,為期五天的閉門研討會在紐澤西的貝爾實驗室辦公大樓召開,受邀者均經過五角大廈資格審查,主要是軍方的合作廠商,大約有 100 間,另外還有 20 間大學的研究學者。

有人認為是軍方施壓讓貝爾實驗室分享技術,好提升整體國防工業,但其實貝爾實驗室屬於研究機構性質,本來就無意製造販賣電子零件;而且母公司 AT&T 也未跨足通訊以外的產業,並不反對將電晶體的技術授權出去。

因此,對貝爾實驗室而言,收取權利金既符合公司利益,也讓軍方這個大客戶開心,還可以加速電晶體的時代來臨,簡直是三贏的局面。

第二年,25 間美國廠商與 10 間外國企業取得授權,開始製造點接觸電晶體。最先應用的產品除了 AT&T 本身的通訊設備,其他都是屬於軍方的武器裝備;但到了年底,第一個電晶體消費性產品就問世了,那是由聲諾通公司(Sonotone)製造的助聽器 Sonotone 1010。

1952年,聲諾通公司(Sonotone)製造的助聽器 Sonotone 1010 問世。 圖/wikimedia

不過這個助聽器要價不斐,當時售價高達 229 美元(相當於現在 2250 美元),無法堪稱平價的商品。這其實反映了點接觸電晶體製造不易,成本壓不下來。再經過一年的時間,電晶體在 1953 年的每月出貨量約五萬顆,而同時期真空管每月產量仍多達三千五百萬顆。

儘管如此,電晶體的崛起已經引起大眾注目。比起五年前那場只有圈內人才能體會重要性的發表會,如今連財經記者也看出電晶體將會改變未來。1953 年 3 月號的《財富(Fortune)》雜誌便在一篇題為〈電晶體之年〉的專文中,預測電晶體的「可靠、小巧,耗電又低,會讓資料處理與計算的機器提升到任何所能想像的複雜度,而成為即將到來的第二次工業革命的核心。」

革命的大功臣:接面電晶體與矽

《財富》雜誌看到的是前一年 IBM 推出的通用型電腦,如果裡面的真空管全部改為電晶體,勢必會是另一番樣貌。結果一如其預言,隨著電晶體的效能日益提升,電腦果真推動了如今我們所稱的第三次工業革命*

* 原文財富雜誌所說的第二次工業革命,其實是指現今的第三次工業革命。而現今所指的第二次工業革命則是指 19 世紀末到 20 世紀初,由電力帶來的改變。

不過《財富》雜誌沒看出來的是,點接觸電晶體並無法勝任這場革命,這場革命的掌旗手還是必須交給接面電晶體,同時電晶體材料也得從鍺換成矽才行。

當年布拉頓和巴丁為了降低表面態的能量障礙,用鍺取代矽,最後雖然成功發明點接觸電晶體;但鍺的能量障礙低的優點,也是缺點。能量障礙低,代表比較容易導電,一旦環境溫度太高或機器全速運轉(溫度升高)時,就會發生漏電。因此,當蕭克利另組團隊,開始打造接面電晶體時,就設定最終的成品應以矽為材料。

矽還有一個好處:地表上蘊藏豐富,是地殼中含量第二的元素。隨處可見的沙子其實就是二氧化矽,原料成本要比鍺便宜多了。不過要製造接面電晶體非常困難,得精煉出純度高達 99.999999999% 的矽,同時還要將原本結構不夠規則的多晶矽,轉為晶格排列整齊的單晶矽,才有利於電子順利通過。

在製造過程中,還得精確控制摻雜硼與鍺的分量,而且要確保位置精準、分布均勻;尤其三明治架構的中間那層 p 型矽必須薄到微米級的厚度才有放大效果,如何把硼均勻摻入這麼薄的中間層,不能有絲毫摻到左右兩邊,更是難上加難。

貝爾實驗室一直到 1954 年初才發明出製造方法,但實驗室的文化畢竟是研究導向,並沒有積極投入量產。結果兩年前才向貝爾實驗室取得授權的德州儀器(TexasInstruments)後來居上,率先於 4 月宣布可以大量生產用矽打造的接面電晶體,並於 10 月推出第一臺電晶體收音機 TR-1。這臺收音機只比菸盒大一些,可隨身攜帶,讓一般大眾感受到電晶體將帶來巨大改變。

1954年推出了第一台電晶體收音機 TR-1 ,體積僅是手掌大小,可以隨身攜帶。 圖/wikipedia

蕭克利與貝爾實驗室的愛恨情仇

此時蕭克利並不在貝爾實驗室,他向公司請了一年的長假,回到大學母校加州理工學院,擔任客座教授。其實這是蕭克利故意表達他的嚴正抗議,抗議公司沒有給他「對等」的待遇。

貝爾實驗室高層不是相當重視蕭克利嗎?不但處處配合他,同意讓他兼任軍方顧問、任意調配上班時間,還幫他塑造電晶體發明人的形象,為什麼蕭克利還會如此不滿?原來蕭克利得罪的不只布拉頓與巴丁,事實上,已經有十幾個人都受不了他的剛愎自用又愛亂發脾氣,而先後辭職走人。

高層看在眼裡,都明白他雖然是個無庸置疑的天才,但個性缺陷改不了,所以只能負責特定專案,並不適合再提拔為更高階的領導者。

可是蕭克利的聰明才智對公司實在太重要了,為了安撫他,特地讓他擔任「聘僱長」一職,負責決定特殊人才的任用與敘薪(事實證明蕭克利雖然不是個好的領導者,但卻有識人的眼光,幾個經他特別加薪的人,日後都做出重要貢獻,其中有兩位還獲得諾貝爾獎)。

蕭克利的聰明才智對公司實在太重要了,但他的個性缺陷卻是一大問題。圖/wikipedia

然而這個「實則架空」的職位怎麼可能讓蕭克利滿意,尤其幾個比他晚進公司的人竟然官升得比他高,更令他忍不下這口氣,決定請長假以示抗議。

現任貝爾實驗室總裁的凱利當然不願失去蕭克利這樣的頂尖人才,但找他來懇談之後,終於明白這頭亟欲振翅高飛的大鵬,是不可能再委身在貝爾實驗室裡。權不夠大、官不夠高、薪水不夠多,這些人比人氣死人的因素,固然讓蕭克利覺得委屈,但這些都只是導火線,並非是他想離開的真正原因。

當年凱利以創造新時代的使命感,吸引蕭克利加入貝爾實驗室;如今蕭克利算是完成使命,但他顯然並不想功成身退、以此為終。自負的蕭克利想要繼續引領時代前進,這也是為什麼他始終不肯放棄軍方顧問一職,因為參與改變世局的決策,不但充滿成就感,也滿足掌握一切的權力慾望。

如果說蕭克利所發明的接面電晶體是個掀起革命的火苗,那麼他還想成為舉起火炬照亮前方的帶領者。

但貝爾實驗室畢竟只是研究機構,不做商品化的生意,加上個人的發明按照規定又歸公司所有,即使凱利把總裁讓給蕭克利,他一定仍會覺得有志難伸,終究不會安身立命。

果然,蕭克利在加州理工學院一邊教書、一邊放出打算離開貝爾實驗室的風聲,試探可能的發展機會。許多大型企業與知名大學耳聞後,紛紛提供條件優渥的職位,但蕭克利在得知德州儀器率先推出矽的接面電晶體以及電晶體收音機後,已下定決心要自行創業。

原本在貝爾實驗室負責提煉矽晶體的提爾(Gordon Kidd Teal),跳槽到德州儀器一年多後,就能做出這樣的成績,那麼他蕭克利絕對更能有一番作為。

美國德州達拉斯市的德州儀器的招牌。
蕭克利受到德州儀器與提爾(Gordon Kidd Teal)的刺激,決定辭職、自行創業。圖/wikipedia

蕭克利正式向凱利表明辭意後,凱利除了予以祝福,還主動引介他與洛克斐洛家族會面。其實凱利知道以蕭克利的聲望與人脈,不用別人幫忙,他自己就能找到願意資助他創業的大型企業。

果然過沒多久,蕭克利就將遇見一位願意投資他成立實驗室的企業主。

補充的知識+

  • 單晶矽的製作

製作單晶矽對於半導體製造來說是個非常關鍵的步驟。我們常聽到的「晶圓廠」,就是負責將沙子中的二氧化矽提煉製作成單晶矽,並且切割成一片片晶圓片後,再送到 IC 製造廠或是代工廠生產半導體晶片。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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「真」最佳拍檔與他們的來電發明:史上第一顆電晶體的誕生——《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》
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・2022/07/15 ・4158字 ・閱讀時間約 8 分鐘

謎團的新進展:「我知道為什麼了!」

1946 年 3 月 19 日這天下午,巴丁走到布拉頓座位前,布拉頓抬起頭來,看見平時總是氣定神閒的巴丁一反常態, 難掩興奮的對他說:「我知道為什麼了!」

當下,布拉頓明白巴丁說的是什麼,只是不敢置信,這半年來大家束手無策的謎團終於有了進展! 

去年 10 月巴丁一來貝爾實驗室上班,布拉頓便迫不及待的說明蕭克利的構想,以及自己做了哪些實驗,想知道他能否看出到底哪裡有問題?主管蕭克利在誠摯歡迎巴丁就任後,也毫無架子的請教他的看法。 

蕭克利三人除了在辦公室討論,就連在蕭克利家中作客時,也無視於身旁的妻子,熱烈談論實驗結果。然而他們再三確認過布拉頓的實際做法,甚至回頭從量子力學的基本學理逐步探討,結果就是想不出為什麼行不通。

直到這一天, 巴丁才恍然大悟。 

巴丁帶著布拉頓到黑板前,用粉筆畫出一個個排列整齊的矽原子與周圍的電子,然後指著最上面那一列矽原子說: 「有看出來這一排矽原子和下面的矽原子哪裡不一樣嗎?」 

布拉頓滿臉疑惑:「不都一樣嘛?」

「你再仔細看看。」

布拉頓看了一會兒,終於看出差別:「喔,你是指它們少了一顆價電子啊?但這不就是局部示意圖嗎?你只是沒畫出更上層相鄰的矽原子而已。」 

巴丁露出莫測的微笑:「那如果這已經是最表面的那層原子呢?它們上方可沒有其他矽原子提供共用的電子了。 這就是我們的盲點,沒注意到表層矽原子的價電子是不足的!」 

布拉頓一時愣住,巴丁不等他想通,拿起紅色粉筆在最上層的矽原子畫了幾個電子,接著說:「你看,表層這些矽原子只要再一個價電子就能填滿最外殼層,形成穩定狀態。所以當電子被電場吸引到矽原子的表面,便無法掙脫。多了這些堆積不動的電子,矽晶體表層變成帶負電,與上方帶正電的金屬板形成封閉的電場,其他電子無法再被吸引上來, 當然不會導電。」 

「難怪我試了各種方法,別說放大訊號了,連電流都測不到!」布拉頓恍然大悟,接著趕忙問:「所以我們該怎麼做?」 

「只能想辦法打破這『表面態』,不過……我也還沒有具體辦法。」 

「沒關係,至少現在不再是瞎子摸象,知道該往什麼方向努力了。」布拉頓渾身充滿幹勁,已經迫不及待要進行實驗。

巴丁發現蕭克利所設計的場效應電晶體,因為 p 型矽的表面矽原子
最外層被填滿電子,導致無法導電。 圖/親子天下

最開心的當然是蕭克利本人,這代表他的構想有機會起死回生。他相信巴丁一定可以找出解決方法,加上自己也還有許多事要忙,索性放手讓他們去研究,只有偶而關心一下進度。

學者型的巴丁自然樂得不受干涉;而對布拉頓來說,巴丁的學術素養不下於蕭克利,又隨時都可以當面討論,反而更棒。他們兩人不只是工作上的夥伴,私下也成為往來密切的好友,假日還常相約去打高爾夫球;凱利當初所期待的 「大腦」與「雙手」的密切合作,如今反而在巴丁和布拉頓兩人身上實現。

最佳拍檔「大腦」與「雙手」的解謎之旅

不過即便這個新最佳拍檔找出了關鍵問題的答案,但是之後的難關卻是毫不留情的一層層湧上,讓這兩人倍感吃力;事情是這樣子……。

  • 蕭克利模型
圖/親子天下

巴丁和布拉頓兩人發現矽晶體表面態的障礙比想像中的還難打破,即使把電壓提高到 1 千伏特、以及縮減金屬板離矽晶體表面的距離至 0.1 公分,仍然看不見電流變化。

巴丁甚至用液態氮冷卻矽晶體,看在超低溫下效果如何,結果導電性只增加了 10%。

  • 導線直接接觸模型
圖/親子天下

布拉頓想起歐偉用光線照射矽晶體的實驗。兩人用光線照射的結果,發現不需 n 型矽,直接以金屬線接觸 p 型矽就會有光伏效應。於是直接全用 p 型矽做實驗,同時施加電場和照射光線,果然就有電流產生,但卻沒什麼放大效果。

  • 矽晶體浸水模型
圖/親子天下

布拉頓意外發現矽晶體浸到水時,竟然測到些微的放大效果。巴丁推測水分子正極那端與表層矽原子接觸,中和了負電而降低表面態效應。

布拉頓把提供電場的金屬板改為很小的金環,放進矽晶體表面的水滴裡,再將絕緣包覆的鎢絲穿過小金環,接觸矽晶體。結果成功在室溫下得到放大效果,雖然只有一點點,卻是一年多來的首度突破。

缺點:水分子會妨礙電波的震盪,所產生的頻率不到 10 Hz,根本無法傳遞聲音訊號,況且水滴容易蒸發,也不是長遠之計。

  • 雙管齊下模型
圖/親子天下

巴丁先將 p 型矽改為 n 型鍺;鍺和矽一樣是 IV 族元素,但價電子在更外層,比較能掙脫表面態。同時改以有正負離子的固態介電質取代水滴,裡面直接植入小金環,果然得到更高的放大效果,只不過電流的頻率仍無法超過 10 Hz。

  • 氧化層模型
圖/親子天下

布拉頓在幾次實驗後,發現鍺晶體表面因為電解作用生成二氧化鍺。由於二氧化鍺是絕緣體,代表介電質已經沒有發揮中和作用,而是靠氧化層降低表面態。

於是改用事先經過陽極處理、表面已經氧化的鍺,直接將小金環置放在氧化層上,讓鎢絲刺穿氧化層,直抵 n 型鍺。他們原本希望去除介電質之後,就能產生更高的頻率,卻意外發現電流的走向與原先預期的不一樣。

  • 無氧化層模型
圖/親子天下

布拉頓試著改變電極正負方向的不同組合時,有次鎢絲還沒插上去,就不小心先觸碰到小金環,這瞬間電表竟然有反應。照理說小金環下方是絕緣的氧化層,應該不會導電才對,他仔細檢查後才發現原來氧化層不知何時被洗掉了,也就是小金環是與鍺晶體直接接觸的!

這可不得了,代表小金環已經沒有扮演提供感應電場的角色,而是將電流轉入鍺晶體而已。這代表並不需要絕緣的氧化層,小金環也形同虛設。

布拉頓還發現小金環改接正極時,雖然電流沒有放大,但電壓放大兩倍,而且頻率高達 10 KHz,終於有希望取代真空管;而這一切根本沒用到蕭克利所構想的「場效應」。

  • 反轉層模型
圖/親子天下

巴丁重新思考並且得出結論:鍺晶體的表層從射極獲得電洞而變成 p 型鍺,與下方的n 型鍺形成 p-n 接面,就如同歐偉那顆矽石的結構。

如果射極與集極在鍺晶體表面的接觸點彼此夠接近,來自射極的電洞有些便會跑到集極,與集極上的電子結合,帶動負極輸出更多電子,這些電子大部分會直抵基極,沿著電路循環回來,形成比射極那端還大的電流。

巴丁算出間隔最好小於 0.005 公分,才有明顯的放大作用,但這相當於一張紙的一半厚度,而當時最細的金屬線至少也有這三倍粗。巴丁原以為這很難做到,沒想到布拉頓很快就想出了巧妙的辦法。

經過反覆實驗, 布拉頓與巴丁終於摸索出最佳設計,接下來就是驗證奇蹟的時刻。

史上第一顆電晶體誕生

1947 年 12 月 16 日,布拉頓切了一塊三角形的塑膠塊,再將一片金箔貼在三角形的兩側,然後用刮鬍刀片將三角形尖端處的金箔輕劃一刀,分成兩段:一邊作為射極、一邊作為集極,兩者相距只有刀鋒那麼近。接著他把一根迴紋針拉長充當彈簧,一端固定在塑膠塊未貼金箔那側,另一端連接到懸臂上的螺絲旋鈕,讓塑膠塊懸空掛在鍺晶體上方。

裝置到了下午終於一切就緒,布拉頓輕輕轉動螺絲,讓塑膠塊緩緩下降,直到尖端剛好觸碰到鍺晶體表面。布拉頓示意就緒後,巴丁打開電源開關,果然出現前所未見的效果,電壓與電流都有放大,整體功率放大了一百倍。

就這樣,這個就地取材的克難裝置,成為史上第一顆電晶體。

布拉頓與巴丁的設計(左圖)以及最終完成的成品(右圖,照片為複製品),成為 史上第一顆電晶體。 圖/親子天下

布拉頓興奮的擁抱巴丁,巴丁內心也激動不已,沒想到埋首兩年沒有進展,卻在最後一個月中,接連出現戲劇性的變化。

在回家的途中,布拉頓忍不住告訴共乘的同事自己剛完成這輩子最重要的實驗。回家從不談論公事的巴丁也難得向太太透露,雖然只是輕描淡寫的一句:「我們今天有重要的發現。」

當晚布拉頓又打電話給巴丁,再次確認實驗沒有任何漏洞,突然才想到還沒通知蕭克利。

第二天,蕭克利過來實驗室看他們演示一遍,確認他們成功做出了電晶體後,告訴他們在申請專利前要先保密(布拉頓趕緊要那位共乘的同事發誓不說出去),接著他著手安排給貝爾實驗室高層的成果展示會。

12 月 23 日,這些高階主管到場後,只見麥克風與耳機接在一個簡陋的裝置上。當他們輪流戴上耳機,聽見清晰的說話聲音後,原有的疑慮一掃而空,紛紛向蕭克利、布拉頓與巴丁恭喜完成這革命性的發明。

隔天就要開始耶誕假期,這發明猶如意外的耶誕禮物,為原本就已輕鬆愉快的氣氛增添歡樂氣息。在一片和樂融融的笑談聲中,沒人注意到蕭克利卸下僵硬的笑容時,臉上浮現的陰鬱表情……。

——本文摘自《掀起晶片革命的天才怪咖:蕭克利與八叛徒》,2022 年 7 月,親子天下,未經同意請勿轉載。

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