電晶體發明簡史－每天都是心晴天

一切是如何開始的？說來話長，我們先從電話的發明談起。關於誰發明了第一個可用的電話原型，許多人持不同意見；不過，第一個專利是由 Alexander Graham Bell 在 1876 年 3 月 7 日3 獲得，且隨後創立了美國電話電報公司 (即 AT&T)。Bell 的專利在 1894 年1 前後到期。雖然 AT&T 一開始時獨占整個巿場，但到了 1900 年代初期，其他公司紛紛成立，並搶走 AT&T 的顧客。有鑑於此，AT&T 認為有必要繼續獨佔並拓展市場。到了 1909 年，AT&T 總裁 Theodore Vail1 想要發展跨州的電話轉接服務 (從紐約到加州)。但要達此目標，需要良好的放大器或中繼器來增強長途傳輸的訊號。早在 1906 年，Lee De Forest 承襲了 John A. Fleming 提出的想法 (以愛迪生的研究為基礎打造了真空管裝置，稱為「振盪管」，可用來偵測無線電波)，並加以改造推出三極管，此低效率的三端真空管可當作放大器使用。1912 年時，Western Electric Company (AT&T 的製造商) 的 Harold Arnold 邀請 Forest 展示他的發明。雖然 Forest 的三極管可在低電壓下運作，但 Arnold 希望能達到更高的工作電壓，才可當作長途語音傳輸用的有效中繼器。Arnold 相信自已可以做出更好的三極管，因此雇用科學家來研究此元件的工作原理，及改善此元件的方法。1913 年 10 月，他辦到了。沒多久後，各地就鋪設的電話線。AT&T 從投資及雇用頂尖科學家的多年經驗，瞭解到深入的研究工作可以為他們帶來競爭優勢，因此在 1925 年成立了「貝爾電話實驗室」。

為了保持電話線運作，需要成千上萬的真空管和繼電器。但真空管非常耗電且體積龐大，又經常燒壞。貝爾實驗室研究主任 Mervin Kelly 從二次世界大戰中針對雷達使用的晶體整流器技術發展中得到啟發，想到半導體 (一種固態元件) 可能製作出新的元件，取代昂貴又不可靠的真空管。Kelly 找來實驗室一名優秀的物理學家 William Shockley，向他說明改良電線傳輸語音元件的想法。Kelly 說明希望以固態電子元件取代吵雜的機械式繼電器和耗電的真空管。這個想法在 Shockley 心中一直揮之不去，成為了他研究的主要目標。Kelly 指派 Shockley 負責研究執行。

他是優秀的理論學家，卻不擅於將構想化為實際。Shockley 多次嘗試證明他的構想，也就是對半導體上方的板件通電，利用場效應電子轉移方式連接半導體的兩端。但沒有成功。失望之餘，他求助於貝爾實驗室的另外兩位物理學家：半導體電子理論專家 John Bardeen 和專精於實驗室設備原型製作和使用的 Walter Brattain。他們兩人加入了團隊。Shockley 讓這兩人小組獨立工作。幾年來嘗試了許多次，卻無法讓場效發揮作用。他們檢查了計算，在理論上是應該可行的。Bardeen 與 Brattain 跳脫傳統思維，利用矽和鍺薄片進行實驗，試著讓場效起作用。在 1947 年秋天，Brattain 因為半導體表面凝結水氣而感到困擾，但也因此出現轉機。他沒有將水分除去，反而在矽上滴水並在上方板件通電，終於產生放大效果。水滴協助克服表面位障，進而促成電子流，但電流不順，無法將語音訊號放大至能進行傳輸所需的程度。

1947 年 12 月 (被稱為「奇蹟之月」)，他們構想除去場效能隙、去除水分並製作黃金觸點接觸半導體。他們改用當時較容易處理的鍺，並使用會在鍺材料上自然形成的氧化薄膜將其隔絕。經過許多次試驗仍然不成功。到了 12 月中，一次偶然事件中，Walter Brattain 不小心沖掉氧化塗層，導致黃金觸點直接接觸到鍺！這次成功了！他觀察到良好的放大效果，且電晶體可正常作用。Brattain/Bardeen 發現，與其依循 Scockley 提出的場效概念將電子拉動到半導體表面，不如用黃金觸點接觸半導體，就會在半導體上打洞，促成電氣流動。1947 年 12 月中旬左右，他們在 Shockley 不知情的情況下開始製作可運作的原型。Brattain 製作出一個塑膠三角形裝置，斜邊上覆蓋金箔，並在三角形頂端做出薄如刀片的切口。這是一個極為簡陋的原型。他們用迴紋針做成的彈簧將三角體壓入薄薄的鍺半導體中，半導體下有塊薄銅板，其中兩條導線各位於三角體的一端。若想要的話，可以將鍺薄片下方的銅板作為第三條引線使用 (圖 7)。這就成為了所謂的「點接觸電晶體」。

Brattain 和 Bardeen 打電話給 Shockley 報喜訊。根據資料顯示，Shockley 當時的心情相當複雜，一方面心喜事成，另一方面因未能親自參與發明而失望。一個星期之後，他們在 1947 年 12 月 23 日向 Shockley 的上司展現了成果 (1948 年 6 月 30 日才公開發表)。之後拍了照片以紀念這歷史時刻 (圖 8)。Shockley 知道點接觸電晶體相當脆弱，也不容易生產，因此獨自投入精力試圖改善。Shockley 非常努力，嘗試以自己的方法解決問題……他嘗試堆疊半導體，讓材料更加緊密整合，並將過程中的想法記錄下來。之後更投入更多研究工作，最終完成理論並申請接面電晶體的專利 (1948 年 6 月 25 日申請專利)。可運作的 NPN 接面電晶體於 1950 年 4 月 20 日面世 (由 Gordon Teal 與 Morgan Sparks 的成果促成)。這段歷史的詳細淵源遠遠超乎您的想像4。

1956 年 12 月 10 日，William Shockley、John Bardeen 及 Walter Brattain 因發明電晶體的成果而獲頒諾貝爾奬。

點接觸電晶體的圖片