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半導體的誕生(七)——發現p-n接面

半導體的誕生(七)——發現p-n接面

半導體的誕生(七)——發現p-n接面

越洋電話遇瓶頸

真空管的技術成熟後,AT&T 利用三極管做為中繼訊號放大器,於 1915 年開通橫跨美國東西兩岸的長途電話。接著 AT&T 繼續擴建遍布全國的電話網,並且在 1927 年,利用無線電波經電離層反射到大西洋對岸,完成從紐約到倫敦的史上第一通越洋電話。

不過這通電話只是實驗性質,因為電離層與大氣條件一年四季、晴雨晨昏都不一樣,越洋電話若要全年都暢通無阻,無線電波波長必須涵蓋更高的頻率範圍。偏偏真空管在高頻表現不佳,如何提高真空管的切換頻率,便成了貝爾實驗室的首要任務。

無奈真空管是靠加熱的方式產生游離電子,開開關關的切換速度有其上限,貝爾實驗室的工程師再怎麼努力,始終無法突破瓶頸。後來一位工程師歐偉 (Russell Ohl) 認清真空管此路不通,決定回頭研究礦石檢波器,沒想到因而發掘出半導體的潛力。

無線電求救訊號

歐偉於 1898 年出生在賓州的一個小鎮,從小就自學做各種化學實驗,也曾組裝電報的收發裝置。就讀師範學校時,他在實驗室角落發現一台礦石收音機,感到十分好奇,於是央請教授教在課堂上示範講解。

礦石收音機

教授讓同學輪流戴上礦石收音機的耳機聆聽,輪到歐偉時,他竟聽到遠在大西洋的英國船隻所發出的求救訊息。原來當時正值第一次世界大戰,那艘英國船艦受到德國潛艇的攻擊,於是用無線電求救。歐偉大感震撼,從此對無線電深深著迷,決定改念賓州州立大學,立志當一名工程師。

他畢業後先在西屋電氣工作一陣子,再到AT&T上班。1927 年,貝爾實驗室成立,歐偉也轉調過來,研發高頻無線電。經過多年嘗試都沒有進展後,歐偉有天突然想起當年課堂上那台礦石收音機。如果礦石檢波器輕易就能收到遠方的無線電,那麼只要去除礦石中的雜質,或許就能接收頻率更高的無線電波。

歐偉重新檢視歷史上的無線電波實驗與論文,發現矽石的效果最好,於是他決定精煉出純度更高的矽,來做實驗驗證這個想法。他的同事都覺得他異想天開,竟把腦筋動到早已過時的技術,但他還是說服了冶金部門的同事幫忙,終於在 1939 年以高溫熔製的方法精煉出高純度的矽,讓他進行實驗。

一塊奇特的矽石

這位同事將矽石交給歐偉時,告訴他其中一塊相當奇特,每次量到的導電性都不一樣。歐偉聽到後不是太在意,先把這塊矽石放在一旁,直到 1940 年 2 月 23 日才把它拿出來檢測。他打開檯燈仔細檢查,發現這塊矽石中間有條裂痕,猜想這就是導電性不一致的原因。接著他接上電表,指針竟然馬上跳到 0.5 V 的位置;一關掉檯燈,指針就又歸零。

歐偉攝於貝爾實驗室

歐偉大吃一驚,白熾燈泡的光是不足以產生光電效應的,難道是光伏效應?但過去從不曾有如此高的電位差,況且光伏效應必須有兩種不同材料互相接觸,不應該出現在單一矽晶體上。他趕緊找實驗室主任來看這個前所未見的現象,同時和同事繼續深入研究這塊矽石。

他們發現裂痕兩邊的矽石分別有不同的雜質:上半部含有少許的硼,而下半部的雜質則是磷。這些雜質應該原本就在原料矽粉中,原料經過高溫熔化再自然冷卻時,較重的磷下沉得比較快,較輕的硼下沉得比較慢。在這冷卻過程中,龜裂於恰好的時間發生在恰好的地方,而把這兩種元素分隔兩邊。結果外表看似一塊完整的矽石,其實卻是由兩種特性不同的矽組合而成。

發現 p-n 接面

含有磷的矽多了自由電子,含有硼的矽則多了電洞,因此歐偉把前者命名為「n型」,後者叫「p型」,並把兩者的接觸面稱為「p-n接面」(p-n junction)。他猜測 p-n 接面處形成一道能量屏障,平時不會導電,但在白熾燈泡的照射下,n型矽的自由電子被激發而越過屏障,產生電壓與電流。

就這樣,歐偉憑著堅定的信念加上一絲運氣,才發掘出半導體材料的關鍵秘密;而 n型、p型、p-n接面這些名詞後來便成為半導體的標準名稱。不過第二年美國就因為日本偷襲珍珠港而加入第二次世界大戰,貝爾實驗室必須優先研發國防武器,直到戰後才又重啟半導體的研究。

歐偉的發現後來延伸出兩項重要發明,一項是太陽能電池,另一項則是電晶體。再來電晶體是如何發明出來的,乃至積體電路以及矽谷的誕生過程,就請參見我的新書《 蕭克利與八叛徒》了。

註:本文改寫自之前曾發表的〈純屬意外的發明與發現——太陽能電池〉

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