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。
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
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
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
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
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
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
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
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。
