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發明三極管與再生電路的人

美洲盃國際帆船賽 1901年9月25日星期二,馬可尼無線電報美國分公司的工程人員將無線電設備搬到船上,準備測試從海上發送無線電報到紐約長灘岸上的接收站。這是為了即將在週末展開的美洲盃國際帆船賽,「聯合通訊社」(Associated Press,簡稱美聯社)希望藉此首創帆船比賽的實況報導。 其實兩年前馬可尼已經在上一屆的比賽中,證明他的無線電報系統可行,因此拿到美聯社的合約。這兩年來系統經由弗萊明(John A. Fleming)的改良,更大幅提升收發電報的距離,用在這屆賽事肯定不是問題,現在測試只是確認新器材在搖晃的海面上也能正常運作,因此大家都抱著輕鬆的心情進行測試,準備速速測完就可收工休息。 沒想到船還沒出航,接收站就收到了不知哪來的摩斯電碼,解譯後的訊息竟是「馬可尼去死吧」等咒罵的字眼。 馬可尼的工程人員找到來源是「美國無線電話與電報公司」(American Wireless Telephone and Telegraph Company)的船,這家公司名稱只比 AT&T 多了「無線」這個詞,但其實和 AT&T 一點關係都沒有。他們之前宣稱買下了道貝耳(Amos Dolbear)於1886年取得的無線通訊專利,藉此控告馬可尼於1899年取得的美國專利無效。1901年3月敗訴後。他們仍繼續上訴,一方面想方設法阻撓馬可尼的業務。 AWT&T堅持自己有權進行測試,不肯退讓。美聯社擔心這樣下去,帆船賽的即時報導就要泡湯,於是出面協調,只要他們停止在這附近進行測試,避免無線電干擾,美聯社就會在報導中提及是由馬可尼公司和AWT&T共同提供無線電報。 AWT&T同意了,但同時告訴美聯社你們恐怕不是獨家,這次帆船賽「出版商新聞協會」(Publishers’ Press Association)也要做實況報導,而為他們提供無線電報系統的,正是曾被馬可尼與你們先後拒絕的德佛瑞斯特(Lee de Forest)。 進擊的科學家 德佛瑞斯特畢業於耶魯大學,上了研究所後,曾做電學實驗而搞到整棟大樓跳電,被警告後卻又再犯,於是被勒令休學。當時正值美國與西班牙戰爭,他便自願從軍,但戰爭很快於當年年底結束,他又重回耶魯念物理研究所,只花了一年時間,便於1899年拿到博士學位,論文題目是〈平行導線末端的赫茲波反射〉。 這年三月,馬可尼成功讓無線電報越過英吉利海峽,造成轟動;九月又在美洲盃國際帆船賽證明在船上也可使用,引發美國媒體熱烈報導。對無線電報前景極度期待的德佛瑞斯特一取到博士學位,便向馬可尼毛遂自薦,不料卻遭拒絕。在此同時,AT&T旗下的西方電氣願意提供一份研究工作,他便前往芝加哥任職。 不知是否遭馬可尼拒絕一事反而增強了他的動力,德佛瑞斯特積極研發新型的無線電報接收器。馬可尼所用的是金屬屑檢波器(coherer),當接收到無線電波時,感應電流會使裡面的鐵屑聚集在一起,電流通過後啟動繼電器,在紙帶上留下代表摩斯電碼的長短符號。不過每收到一次訊號,就要再將鐵屑拍散才能接收下個訊號,既不方便又沒效率。 德佛瑞斯特從反射鏡電流計得到靈感,將它與電話聽筒、電池結合在一起,使得感應電流的變化轉換為耳機中的聲響,便能輕易得知摩斯電碼,也不用每次重設。 在成品完成之前,他跳槽到美國無線電報公司(AWT,和AT&T與AWT&T都無關的另一家公司),晚上到伊利諾理工學院兼課教書。恰好學校裡的弗里曼教授(Clarence Freeman)對無線電報也極有興趣,兩人一拍即合,德佛瑞斯特繼續打造接收器的同時,他則著手設計電波發射器。 無線電大亂鬥 無線電報收發設備於1901年完成後,德佛瑞斯特立刻和美聯社接洽,表示自己的裝置優於馬可尼公司,希望美聯社改與他們合作。但馬可尼已做過多次公開演示,他們卻連一次都沒有,美聯社怎可能答應。遭到拒絕後,一心要和馬可尼一較高下的德佛瑞斯特找上規模較小的出版商新聞協會,說服他們採用,便能比肩美聯社,也在國際帆船賽中做實況報導。 當時還沒有調幅或調頻的技術,收報器對無線電波來者不拒,各家的訊號若混雜在一起,根本無法判讀,每個人都是輸家。這道理大家都懂,於是在國際帆船賽的前一天,美聯社和AWT&T達成協議後,也和出版商新聞協會取得共識,在帆船競賽過程中,雙方輪流使用無線電五分鐘,以免互相干擾。 不料第二天比賽開始後,不知是誰先不遵守協議,結果變成三家大亂鬥,無線電波此起彼落,接收站收到的都是無法判讀的亂碼,最後只能靠望遠鏡和旗語勉強報導賽況。 只帶走三極管 遭遇挫敗的德佛瑞斯特仍不死心,決定不回芝加哥,而是留在紐約尋求投資人。他很快在1902年1月認識在華爾街打滾的懷特(Abraham White),懷特建議他與其找大金主,不如直接向大眾募資,這樣公司才是自己的,不受他人左右,事業成功也能享有最大回報。德佛瑞斯特對此提議非常心動,這一年就和懷特共同成立「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的無線電報標案,並在隔年三月順利完成驗收。沒想到就在業務蒸蒸日上之際,公司卻突然於1906年遭逢重大危機,法院判決德佛瑞斯特的接收器侵犯他人專利,不得繼續使用。 這個判決嚴重影響公司營運,德佛瑞斯特責無旁貸。孰料懷特竟趁機逼他下台,並在董事會運作將他開除,還得出清所持的所有股份。…

另一種「關鍵少數」——電晶體 MOSFET的發明

電晶體的種類有很多種,其中最重要的無疑是「金屬氧化物半導體場效電晶體」(簡稱 MOSFET),它的數量佔了所有電晶體 99.9% 以上。據統計,自 1960 年問世直到 2018 年為止,MOSFET 的生產數量多達 1.3×1022 顆。這數目有多大?這麼說吧,如果平均分給全世界 78 億人,每個人可分到 1.7 兆顆。 上一篇的〈純屬意外的發明與發現——矽晶圓氧化層〉,寫到由於 1955 年的一件實驗意外,造成矽晶圓表面產生氧化層,才促成半導體技術的突飛猛進,其中便包括了 MOSFET。但其實它的故事得從更早之前講起……。 理論可行,但就是做不出來 1956 年的諾貝爾物理獎由蕭克利 (William Shockley)、巴丁 (John Bardeen) 和布拉頓 (Walter Brattain) 三人共同獲得,以表彰他們在半導體與電晶體的研究與發現。後兩人率先於 1947 年底發明「點接觸式電晶體」,蕭克利緊接著在一個月後,發明更堅固實用的「接面式電晶體」。不過,他們原本研究的都不是這兩種電晶體,而是「場效應電晶體」,卻始終做不出來,不得已才另闢蹊徑。 場效應電晶體是蕭克利在二次大戰期間想出來的。基本上就是將正負極接在矽晶體兩側,然後在上方施加電場,把矽晶體的電子吸引到表面,形成一條電子通道,藉此控制電流的變化,而達到訊號切換與放大的效果(如圖)。 戰爭結束後,蕭克利回到貝爾實驗室,把構想告訴量子物理博士巴丁和實作經驗豐富的布拉頓,他們也都認為這應該行得通,信心滿滿的開始進行實驗。然而他們試盡各種方法卻都沒有用,巴丁苦思許久後,終於在 1946 年想出問題就在於「表面態」(surface state)。 「表面態」障礙 簡單來說,就是矽晶體中,每個矽原子上下左右會被另外 4…

【純屬意外的發明與發現】——矽晶圓氧化層

前一篇的《純屬意外的發明與發現——太陽能電池》,介紹由於貝爾實驗室的歐偉在 1940 年的意外發現,才開啟了太陽能電池與電晶體的發明。不過你知道嗎,後來貝爾實驗室又發生了一件意外,電晶體才能有如今的樣貌,也才有IC晶片的誕生。 如前一篇所說,歐偉原本是為了研發可以取代真空管的固態元件,才意外在一塊矽石發現 p-n 接面的光伏效應。因此貝爾實驗室除了有組人馬接續投入太陽能電池的研究,重心還是放在電晶體上。結果布拉頓 (Walter Brattain) 和巴丁 (John Bardeen) 率先於 1947 年底發明「點接觸式電晶體」,一個月後,蕭克利又發明更堅固實用的n-p-n「接面式電晶體」。 當時這兩種電晶體用的都是鍺,而不是矽,因為鍺的能隙比矽的能隙小,比較容易做出成品。不過鍺相對也有容易漏電,不耐高溫的缺點,因此貝爾實驗室仍繼續研究如何製造矽的半導體。 1954 年,富勒 (Calvin Fuller)、闕平 (Daryl Chapin)、皮爾森 (Gerald Pearson) 三人以氣體擴散法,讓含有硼和砷的氣體在高溫下擴散進入矽晶圓表面,成功做出第一個具有實用價值的太陽能電池,這個摻雜技術自然也被用來製造矽的電晶體。 不過太陽能電池只有 n 型矽與 p 型矽兩層,電晶體則有三層,中間那層又必須薄到微米級,所以原來的擴散法不能直接如法炮製。弗若需 (Carl Frosch) 和他的技術助理德瑞克 (Lincoln Derrick) 實驗各種溫度與時間長短,卻始終無法成功,一旦超過 1,100 度,矽晶圓總是坑坑洞洞,甚至整個報銷。 1955 年早春的某一天,弗若需和德瑞克再度進行擴散法實驗時,突然火光一閃,似乎是反應後排放出來的氫氣不知為什麼被點燃,逆火燒向反應室。他們驚魂未定,趕緊關掉設備,想說這次又搞砸了,怎知拿出矽晶圓一看,竟然整片光滑無比,表面還泛著綠光——看來是表面有層薄膜產生的干涉作用。 原來是因為燃燒造成氫氣與反應爐中的氧氣結合產生水蒸氣,水蒸氣與矽晶圓表面的矽反應而生成二氧化矽薄膜。他們進一步實驗發現磷和硼無法穿透二氧化矽,那麼只要在這層二氧化矽上蝕刻出開口,再進行磷或硼的摻雜,便能極為精確地控制矽晶圓的哪個部分要做成…

【純屬意外的發明與發現】——太陽能電池

科學史上有很多重大的發明與發現,除了有賴努力不懈的長期耕耘,其實也要有一絲運氣,才能開花結果。例如抗生素盤尼西林,就是因為弗萊明 (Alexander Fleming) 在度假前忘了將葡萄球菌的培養皿收好,青黴菌落到上面,等他回來實驗室後才發現的。除了這個有名的例子,還有許多發現