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半導體的誕生(六)——真空管崛起

半導體的誕生(六)——真空管崛起

半導體的誕生(六)——真空管崛起

1901 年美洲盃國際帆船賽的電報大亂鬥,德佛瑞斯特以單打獨鬥之姿,對抗馬可尼電報公司以及美國無線電話與電報公司後,決定留在紐約尋求金援,這樣才有機會在激烈競爭中占有一席之地。

雖然無線電報還沒商業化,但很多人已相信它會是未來的明星產業。在華爾街打滾的懷特 (Abraham White) 說服德佛瑞斯特:與其找大金主,讓別人握有公司多數股權,不如直接向大眾募資,這樣公司才是自己的,享有最大利益。德佛瑞斯特對懷特的提議非常心動,同意和他攜手合作,於 1902 年成立「德佛瑞斯特無線電報公司」,由懷特擔任總經理,自己專心於技術研發。

公司成立沒多久,他們就取得陸軍在紐約總督島 (Governors Island) 的無線電報標案,並在隔年三月順利完成驗收。這段期間,德佛瑞斯特與負責的通訊官鄧伍迪 (Henry Dunwoody) 上校兩人惺惺相惜,成為忘年之交。在德佛瑞斯特的力邀下,鄧伍迪於 1904 年中晉升少將後即申請退役,到他的公司擔任副總經理,專門與軍方打交道。

剛晉升少將的鄧伍迪 (Henry Dunwoody)

侵犯專利

就在業務蒸蒸日上之際,公司於 1906 年突然遭逢重大危機,法院判決德佛瑞斯特的檢波器侵犯他人專利,也就是調幅技術發明人范信達的電解式檢波器,不得使用。由於其它檢波器也都各有專利保護,他們別無選擇,只能拿鄧伍迪剛於三月申請專利的碳化矽檢波器來試試看。

碳化矽是半導體的一種,鄧伍迪雖然比研究半導體礦石已三、四年的匹卡德還早五個月申請專利,但顯然所知相當有限,以為直接把現有的檢波器替換掉就好了,但他和德佛瑞斯特怎麼樣就是沒辦法獲得良好收訊效果,最後只好求助於 AT&T 的匹卡德(註1)。

匹卡德指出問題在於天線與碳化矽的接觸位置與壓力後,他們終於成功用碳化矽檢波器取代電解式檢波器,公司才化險為夷,免於倒閉。不過德佛瑞斯特未能免責,在懷特的運作下,他被迫在 1906 年 11 月辭職,以名下原有股份換回一千美元,黯然離開自己的公司,另起爐灶。

三極真空管

除了一千美元,德佛瑞斯特帶走的還有真空管專利的所有權。儘管他堅稱完全是自己獨立發明出真空管,但早在 1904 年,馬可尼電報公司的弗萊明 (John A. Fleming) 就提出真空管的專利申請,董事會不想再捲入專利糾紛,所以同意把這項新產品讓給德佛瑞斯特。沒想到,這一次他的改造竟然誕生了影響深遠的重要發明。

弗萊明發明的真空管是二極管,只有開關與整流的作用;德佛瑞斯特在二極管的負極和正極之間加上金屬網做為柵極,變成三極管,多了放大訊號的功能(註2)。這項功能可開創出許多前所未有的應用,不過德佛瑞斯特在 1907 年初申請專利時,只想用來做出更靈敏的檢波器,可以在更遠的地方接收無線電波,並未想到還有其它用途。另一方面,當時的真空技術也還不夠好,三極管內的殘餘氣體嚴重影響實際效能與使用壽命,因此德佛瑞斯特這項發明並未造成轟動,還不如匹卡德在這一年離職創業,所推出的礦石檢波器

三極管在陰極與陽極之間多了金屬網做為柵極。
By Svjo – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=26997396

過了五年,德佛瑞斯特與幾位發明家不約而同在 1912 年想到「再生電路」的設計,也就是從三極管輸出訊號後又再反饋到三極管,放大效果可以超過百倍,彰顯出三極管不容忽視的潛力。隨著技術進步,真空管的真空程度、工作溫度、燈絲材料、……等缺失大幅改善後,三極管終於陸續獲得各方採用,除了做為檢波器,還用於電話線路的中繼放大器、無線電波的發射器、收音機、……等等。

德佛瑞斯特左右手分別拿著用於發射器與接收器的三極管。

半導體礦石無人聞問

1920 年商業廣播電台開播後,真空管收音機因價格昂貴,難以普及,風行一時的仍是匹卡德的礦石收音機。雖然它只能用耳機收聽,還得摸索礦石的熱點與接觸壓力,但由於價格便宜非常多,仍是一般民眾的首選。然而真空管收音機有喇叭,更適合全家一起收聽廣播節目,因此隨著真空管的製造成本越來越低,真空管收音機逐漸成為必備的家電產品,礦石收音機終於失去吸引力,到了 1930 年代已乏人問津了。

匹卡德最後只能無奈關掉公司,轉而擔任其他無線電公司的顧問。他見到自己的事業竟然是毀於自己當初出手救援的人,不知心中作何感想。

真空管勢如破竹,各式各樣的電器用品,乃至商用電腦、軍用雷達應運而生。原本好不容易因礦石收音機嶄露頭角的半導體礦石,變成無用的過時產物,從此被棄置一旁,無人聞問。必須再過十年,貝爾實驗室一位工程師為了解決真空管的技術瓶頸,才憑他的信念加上一點運氣,發掘出半導體礦石另一項奇特性質,開啟了半導體元件的研究……。

註:

  1. 匹卡德當時任職於 AT&T,而年初他們才和 AT&T 創辦人貝爾 (Alexander Bell) 合作,用他發明的四面體風箏 (tetrahedral kite) 將天線升到高空,以增加無線電的傳送距離。很可能是拜託貝爾派匹卡德來幫忙。
  2. 三極管中,電子從負極到正極的必須穿過柵極,當柵極接上負電壓,就會因為同性相斥而擋下部分電子;電壓越大,擋下的電子越多,經過三極管的電流也就下降越多。由於柵極電壓一點點的變化,就會大幅改變通過三極管的電流,因此若將源自無線電波的感應電流接到柵極,感應電流的些微變化反應在輸出端就會是大幅變化,因而有了放大訊號的效果。

參考資料:

  1. Henry Harrison Chase Dunwoody – Wikipedia
  2. Lee de Forest – Wikipedia
  3. Greenleaf W. Pickard – ETHW
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