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電晶體的情與仇

  • 林一平

林一平手繪之蕭克力(左)與布萊頓(右)。林一平

2019年12月一則新聞報導,台積電5奈米製程測試良率超過8成,電晶體密度較7奈米提升84%,是相當令人振奮的高科技成果,這讓我回想起1990年我在貝爾通訊研究公司(Bellcore)看到第一個電晶體(transistor)的歷史照片。電晶體是電話公司為了改善電話網路而發明的,當年大概沒有人想到,這個發明改變了整個電腦及電信技術。早期的電話網路採用真空管(Vacuum Tube)來放大語音訊號,如此才能在電話網路進行長途傳輸,然而真空管耗電、生熱,且容易燒壞。因此貝爾實驗室於1945年開始研究替代方案,以半導體元件來取代真空管放大器。當中最重要的三位科學家是蕭克力(William Shockley) 、布萊頓(Walter Brattain) ,及巴丁(John Bardeen)。

蕭克力雖然年紀最輕,卻是研究團隊的領導者,其中,巴丁擅長理論,而布萊頓則精於實驗,形成很好的互補。最早想法由蕭克力主導,但並未成功,第一個可行電晶體的理論則由巴丁提出,而由布萊頓不斷實驗測試,在沒有蕭克力的參與下,巴丁和布萊頓在1947年發明了點接觸電晶體(Point-contact Transistor)。申請專利時,並未加入蕭克力的名字,令他相當生氣,原本氣氛和諧的研究小組決裂,並與蕭克力關係形同路人,巴丁和布萊頓也因此更趨緊密。布萊頓稱讚巴丁是最有智慧的人,說道: ''John Bardeen was the most intelligent human being that I've ever met.''

於是,深受刺激的蕭克力開始秘密地研究另外一種接合電晶體(Junction Transistor),寫下558頁的鉅著《Electrons and Holes in Semiconductors》,成為半導體教科書中的聖經。接合電晶體比點接觸電晶體更容易製造,也更具有商業價值 ,蕭克力在1951年獲得接合電晶體的專利,吐了一口怨氣。然而,他並未和巴丁及布萊頓和解,依勢主管權威,不准兩人做接合電晶體的研究。巴丁只好改做超導體(Superconductivity) 研究,並於1951年離開貝爾實驗室。布萊頓不願和蕭克力共事,轉到另一個研究群,從此巴丁和布萊頓再也沒對半導體研究做出任何貢獻,而蕭克力則一直影響著半導體的主流研究,不過蕭克力的個性令人不敢恭維,很快和上層經理鬧翻,於1953年離開貝爾實驗室。

蕭克力一生爭議不斷,晚年在史丹福大學任教,研究基因學,研究報告中對黑人的智能做了一些評論,惹出許多風波。蕭克力的說法受到了社會達爾文主義和實用主義的影響,承襲美國法官霍姆斯(Oliver Wendell Holmes)的哲學觀。霍姆斯認為州政府強制給智障者絕育並不違反聯邦法律,他聲稱:「痴獃人有三代就夠了。」這是霍姆斯在判例中奉行社會達爾文主義的著名例子。因霍姆斯在對待種族和貧困問題上的個人態度上有精英主義之嫌,遭到了批評,被認為是「對損害大眾的罪惡一無所知」。蕭克力宣揚和霍姆斯類似的觀點,讓他的諾貝爾獎光環失色。

電晶體的發明,顯然對人類的生活,有著重大影響,數十年後,各界仍紀念這個偉大發明。1956年,這三位科學家終於一笑泯恩仇,共同獲得諾貝爾獎。巴丁只帶一位小孩參加當年的諾貝爾獎頒獎典禮,另外兩位兒子沒有來,此舉引起了瑞典國王古斯塔夫6世(Gustaf VI Adolf)的不滿,於是巴丁連忙保證,下次得獎時所有小孩一定都到齊。巴丁因為超導體研究,於1972年再度贏得諾貝爾獎。這次,他果然信守承諾,帶三個小孩參加頒獎典禮。巴丁離開貝爾實驗室後到伊利諾大學擔任教授,他指導的第一位學生Holonya發明了LED。布萊頓則從一而終地待在貝爾實驗室,並沒有因為得諾貝爾獎後,身價高漲而選擇跳槽。

現為交通大學資工系終身講座教授暨華邦電子講座,曾任科技部次長,為ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究興趣為物聯網、行動計算及系統模擬,發展出一套物聯網系統IoTtalk,廣泛應用於智慧農業、智慧教育、智慧校園等領域/場域。興趣多元,喜好藝術、繪畫、寫作,遨遊於科技與人文間自得其樂,著有<閃文集>、<大橋驟雨>。