09:00~10:00
寶貝摩天輪
2014/11/12
5:16
早期電子產品的主要元件「真空管」,因為體積大,電阻大,壽命短,讓工程師又愛又恨。舉例來說,最早的電腦因為使用大量的真空管元件,重27噸,佔地167平方公尺,消耗功率高達15萬瓦。 人們一直想發明更省電、更小、更輕的元件來取代真空管;而真空管的主要功能包括把交流電變成直流電,控制電流的大小等。 於是有人想到,半導體不就是這樣嗎?所謂的半導體,除了導電度介於導體和絕緣體之間,還有一個重要性質,就是它的導電度,可能受到電壓、微量雜質或其他因素的影響而變化。而導電度則會影響電流,這樣說來,確實可能利用半導體做出取代真空管的元件。
1898年出生的科學家羅素‧歐爾,大學時代曾接觸過礦石收音機,聽人說起操作它而收到船隻求救信號的故事,讓他充滿了興趣。但是礦石收音機收訊不穩定,時好時壞,其中的原因令人費解,歐爾覺得可能跟半導體的特性有關。1927年,歐爾調查了許多由半導體做成的器械,從中歸納出一個結論;就是,他應該去找高純度的矽晶體(就是今天製作矽晶片的矽)來做實驗,或許會有更好的效果。 二次大戰期間,歐爾歷經千辛萬苦,終於獲得高純度的矽。這時候,意想不到的事情發生了!他發現純度高、沒有瑕疵的晶體,運作起來效果比較差,反而是有雜質的晶體運作比較良好。真是令人意外! 後來,他發現有兩類含雜質的矽晶體,一種是N型半導體,容易把自由電子游離出去;一種是P型半導體,傾向於接收自由電子;從中他還發現了P、N兩型接面的一些性質。科學家亨利‧塞若告訴他,P型的雜質是硼元素,就是硼砂的硼,歐爾也經過實驗證實,並把成果分享給貝爾實驗室的同事們。 這時候,貝爾實驗室的威廉‧肖克利認為可以藉由外加的電壓,控制半導體的導電度和電流。經過約翰‧巴丁和沃爾特‧布拉頓等人不斷努力,克服許多困難;終於在1947年,利用跟矽元素同族的鍺元素,做出了全世界第一個電晶體,可以用電壓控制電流,跟真空管有類似的效果。
肖克利後來又進一步改良,把P型、N型半導體的接面組合起來,組成PNP或NPN,所謂「三明治」型的電晶體,稱為接面型電晶體,體積更小、品質更穩定。肖克利、巴丁和布拉頓三人,也因此獲得1956年的諾貝爾獎。 科學的發現,雖然常常有意外的成分造成,但是歐爾卻能把握住意外的發現,繼續研究半導體的性質。另外,肖克利、巴丁和布拉頓更透過半導體技術的改進,發明出電晶體,因此促成了整個電子工業立即且巨大的改變。