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電晶體誕生-《創新者們》

天下文化_96
・2015/09/28 ・1643字 ・閱讀時間約 3 分鐘

有了貝爾實驗室的新團隊,蕭克利重拾五年前的理論,研究如何用固態物質取代真空管。他判斷,假如半導體材料旁邊有強烈的電場,電場會把某些電子吸引到半導體片的表面,並讓電流穿過半導體片。這樣一來,或許就能讓半導體用非常小的訊號來控制較大的訊號。以極低功率的電流為輸入電流,控制(或開關)較高功率的輸出電流。如此半導體就和真空管一樣,能做為放大器或電路開關。

像這樣的「場效應」有個小問題:蕭克利測試理論時(他的團隊用一千伏特的電壓為金屬板充電,然後讓它離半導體表面只有一毫米)卻發現行不通。「沒有可觀測到的電流變化,」他在實驗日誌中寫下。他後來表示這「頗離奇」。釐清理論失敗的原因,才能知道改進的方向,所以蕭克利請巴丁設法找出原因。他倆耗費無數小時討論所謂的「表面態」(surface state)—物質表面原子層的電子特性和量子力學描述。五個月後,巴丁有了自己的看法,他寫在黑板上與布拉頓分享。

巴丁領悟到,半導體帶電後,電子會困在表層,無法自由移動,形成了屏障,即使相隔一毫米之外有強烈電場,都無法穿透壁壘。「新增的電子陷在表面態中,無法移動,」蕭克利指出:「事實上,表面態保護半導體內部不受帶正電荷的控制板影響。」研究小組現在有個新任務:設法打破半導體表面形成的屏障。「我們把焦點放在與巴丁的表面態相關的新實驗,」蕭克利解釋。他們必須突破壁壘,才能讓半導體發揮調節、開關和放大電流的功能。

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因為發明電晶體得到1956年諾貝爾物理獎的蕭克利、巴丁、布拉頓        Source: wiki/transistor

次年的進度十分緩慢,但到了1947 年11 月,突然出現一連串突破,大家後來稱之為「奇蹟之月」。巴丁採用的方法是以「光伏效應」理論為基礎,光伏效應是指不同材料相互接觸的界面,會因為受到光照而產生電壓。他推測在過程中,可能會迫使某些形成屏障的電子開始移動。和巴丁並肩作戰的布拉頓則設計了一連串聰明的實驗,測試各種做法。

過了一陣子,幸運之神意外眷顧。布拉頓在保溫瓶中進行某些實驗,以測試不同溫度下的反應。但矽表面凝結的水氣會干擾實驗結果,要解決這個問題,最好的辦法是把整套實驗器材置於真空中,但這要耗費很大的工夫。「基本上,我是懶惰的物理學家,」布拉頓坦承:「所以我想到一個辦法,把整套器材浸在介電液中。」他把保溫瓶灌滿水,這是避免水氣凝結的簡單方法。他和巴丁在11月17 日做實驗,發現效果奇佳。

那天是星期一,接下來幾天,各種理論概念和實驗構想紛紛冒出。到了星期五,巴丁已經想出毋須把實驗器材浸在水裡的做法。他提議,只需把一小塊尖銳金屬戳進矽片,並且在接觸點滴下一滴水或一點點凝膠就可以了。布拉頓反應熱烈的說:「好啊,咱們就動手吧!」但其中有個困難,不能讓金屬接點碰到水滴,不過鬼才布拉頓靈機一動,用一點點封蠟解決了問題。他找到一塊矽板,在上面滴了一滴水,然後用蠟包覆金屬線造成絕緣,再讓金屬線穿過水滴,刺進矽板。成功了,這個方法真的可以放大電流,至少可以稍微放大。有了這個「點接觸」裝置,電晶體於焉誕生。

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在貝爾實驗室發明的第一個電晶體之複製品       Source: wiki/transistor

創新者們,泛科選書

本文摘自《創新者們:掀起數位革命的天才、怪傑和駭客》,由天下文化出版。

 

 

 

 

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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