電晶體誕生-《創新者們》

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

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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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