National_Semiconductor_MP148Z_74F27

半導體的誕生(五)——史上第一個半導體商品問世

半導體的誕生(五)——史上第一個半導體商品問世

半導體的誕生(五)——史上第一個半導體商品問世

1901 年美洲盃國際帆船賽的電報大亂鬥結束後,美國無線電話與電報公司要求首席工程師匹卡德從美東開始,架設無線電報的收發站。匹卡德對金屬屑檢波器也不滿意,因此和德佛瑞斯特一樣,想要研發出效果更好的無線電波接收器。

不過匹卡德卻不是發想新方法,而是要從已問世二、三十年的碳粒式麥克風著手。為什麼?這得從發明人之一的休斯 (David E. Hughes) 一次實驗意外說起。

碳粒式麥克風

David Edward Hughes (1831-1900)

1879 年,休斯在測試電話機的麥克風與聽筒時,不小心讓電瓶產生火花,沒想到尚未連接電瓶的電話機竟然發出聲音。他不斷試驗改良,最後讓電話機在四百多公尺外也能隔空收到電火花的訊號。

休斯不但比赫茲早好幾年就發現電磁波,而且這幾乎就是無線電報的裝置了,然而幾位英國皇家學會的友人來看了之後,卻告訴他這不過是電磁感應的現象,休斯因此作罷,未再繼續研究,也沒對外發表。直到 1899 年,馬可尼都已經從法國發送無線電報到英國了,他才公布當時所做的實驗,當然已沒有多少人在意了。

不過匹卡德注意到休斯並未特別加強天線,竟然就能用碳粒式麥克風偵測到無線電波,因此決定根據他的方法來做實驗。1902 年 5 月 29 日,匹卡德在紐澤西州五月岬 (Cape May) 的無線電報站台,將縫紉針的兩端架在兩顆碳塊上——這相當於碳粒式麥克風的作用卻更靈敏,再接上聽筒與三個乾電池,開始聽取無線電訊號。

匹卡德的實驗裝置類似這樣。

礦石檢波器

匹卡德將聽筒貼近耳朵,發現雜訊聲音太大,他猜想是電流可能太強了,於是伸手拿掉兩個電池。果然雜訊馬上消失,雖然無線電的訊號也變得比較小聲,卻清楚許多。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,表示這個偵測器竟然不需外接電源就能作用,而且能將無線電波本身的能量傳遞到聽筒發出聲音。

當時還不知道像鋼針這樣的金屬和碳這類半導體接觸,就形成了後來所稱的「肖特基二極體」(Schottky diode),很低的電壓就能讓它表現出單向導電性。匹卡德只覺得這個奇特的現象完全違背傳統認知,決定深入研究,於是很快就跳槽到 AT&T,全心研發用礦石做成的檢波器。

從 1902 年夏天到 1906 年,匹卡德測試了上千種礦石,發現其中 250 種有類似效果,然後他拿各種金屬觸碰這些礦石或讓礦石互相接觸,在測試了 31,250 種組合後,發現以熔融後的矽石(原本用來製造石英玻璃)搭配銅或銀的收訊效果最佳。1906 年 8 月,匹卡德提出礦石檢波器 (crystal detector) 的專利申請,三個月後就得到核准。最早發現硫化鉛具有單向導電性的布勞恩此時才要在美國申請類似專利,已經來不及了,最後只在本國(德國)取得礦石檢波器的專利。

匹卡德發明的矽晶體檢波器。

無線電電話

匹卡德在進行實驗時,還發現礦石檢波器有另一項優點:可如實反應每秒高達 2,000次 (2K Hz) 的電火花。他猜想這麼高的頻率或許可以傳遞聲音了,於是在 1902 年 9 月就試驗用無線電講電話,結果只聽到斷斷續續的聲音,難以辨識。

其實不只他有無線電電話的想法。加拿大發明家范信達 (Reginald Fessenden) 早在 1900 年就開始發展「調幅」(Amplitude Modulation, 簡稱AM) 技術,用電波的振幅大小代表音訊的變化,然後搭載在脈衝式的無線電波(稱為載波)上發送出去,接收端將收到的交流無線電整流成直流電,再濾掉其中的載波,留下的就是原來的音頻訊號。

調幅技術原理。

不過音頻訊號本是類比的連續波形,取樣頻率至少要達 8K Hz,才能如實還原本來的語音,然而當時的無線電發送設備都還無法做到。直到 1906 年,通用電氣 (General Electric,也稱奇異公司) 終於完成范信達的委託,開發出高速交流發電機,能產生連續波形的無線電波。當年耶誕夜,范信達就以他 1903 年發明的「電解式檢波器」(Electrolytic detector),成功發送 AM 廣播向大西洋上的美國軍艦官兵問候。

礦石收音機

自此以後,廣播電台應運而生。范信達雖然是發明人,但他的電解式檢波器不易製造,產品壽命有限又不時需要調校。相較之下,匹卡德的礦石檢波器價格低廉,不必用電也無需維護,很快就全面取代電解式檢波器。眼見商機無限,匹卡德隔年便辭去工作,自行創立公司,專門製造礦石收音機,賣給一般大眾,史上第一個半導體商品於焉誕生。

不過礦石收音機只能用耳機收聽廣播,因此當具有放大訊號功能的真空管出現後,礦石收音機便逐漸被淘汰了。匹卡德大概沒料到發明三極真空管的人,正是當年在長灘的帆船賽交手過的德佛瑞斯特,而且這個人的事業還是他出手相救才起死回生呢……。

參考資料:

  1. 7. Pioneering U.S. Radio Activities (1897-1917) (earlyradiohistory.us)
  2. Pickard-Detector.pdf (princeton.edu)
  3. Popular Science – Google 圖書
  4. David Edward Hughes – Wikipedia
  5. Crystal detector – Wikipedia

圖片來源:wikipedia

Share on facebook
Share on twitter

更多文章

© 2021 張瑞棋