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電子元件的「二」「三」事

  • 林一平

林一平手繪之理查森(左)、弗萊明與狄佛洛斯特(右)。林一平

電子元件的演進,要由燈泡的發明談起。

話說愛迪生(Thomas Edison)發明燈泡後,又很手癢的在燈泡中多放了一個電極,且灑了點箔片。然後他在這個電極加負電,發現箔片會翻騰漂浮。如果加正電,箔片則是不動如山,沒啥反應。愛迪生搞不懂這個現象,但是覺得可以利用這個現象來製成電流計及電壓計等實用電器,於是在1883年申請了一個專利,就是今日大家熟知的愛迪生效應(Edison Effect)。一直到1901年,在理查森(Owen Richardson)的研究之後,愛迪生效應終於得到解釋,原來是電子的激發態引起箔片漂浮。理查森因此得到1928年的諾貝爾物理獎。

根據愛迪生效應,英國的弗萊明(John Fleming)在1904年發明了二極真空管(Diode;或稱Valve)。這個元件是由一放射電子的加熱燈絲與接收電子的屏極所組成。當屏極加入正電壓便會產生電流,加入負電壓卻沒有電流產生。二極真空管常見的應用是整流器,能將交流電轉換成直流電,是電源供應器的必要機制。整流器也被用來當作無線電訊號的感測器。弗萊明的這項貢獻被IEEE譽為「one of the most important developments in the history of electronics」。

狄佛洛斯特(Lee de Forest)研讀了弗萊明的研究成果,在1906年將二極真空管內加入柵極,發明了三極真空管(Audion;或稱Triode),可以控制電子的活動,使其具有放大信號與控制電量的強大功能,對於長途電話網路有重大影響:語音在長途電話線的傳輸過程很快就會衰減,而三極真空管能將訊號放大,讓語音傳得更遠。三極真空管也促成了世界上第一座無線電廣播電台,其於1921年在美國匹茲堡市建立,使無線電通訊迅速的擴散到世界各地。日俄戰爭時,《紐約時報》(New York Times)及《倫敦時報》(London Times)等媒體使用狄佛洛斯特的無線電設備發送新聞稿。

毫無疑問,真空管技術由「二」(二極真空管)演進到「三」(三極真空管),是電子工業發展史上的重要里程碑。然而弗萊明對於狄佛洛斯特的三極真空管發明是頗不以為然,認為狄佛洛斯特的想法並無創意,和他的二極真空管太相似了。於是打了數十年的專利權官司,直到1943年美國法院才判定狄佛洛斯特勝訴。科學的發明貢獻仍需法律人來判決,亦令人感慨。

真空管由「二」到「三」的研發途徑很自然地在半導體重演。德國物理學家布勞恩(Ferdinand Braun) 在1898年研發二極體(Crystal Diode)。接續布勞恩的發明,貝爾實驗室於1945年開始研究半導體版本的三極體,發明了電晶體( Transistor ),取代真空管放大器,大幅改善真空管耗電、生熱,且容易燒壞的缺點,變革了整個電腦及電信技術。

電晶體的發明者是蕭克力(William Shockley)、布萊頓 (Walter Brattain),及巴丁(John Bardeen)。這三位科學家為了這個重要發明專利爭執不休,雖然沒有鬧上法庭,卻也刀槍劍戟,熱鬧非凡。其爭執大概和蕭克力的強勢個性有關。

我於2012年11月受邀出席一場由台積電張忠謀董事長作東的晚宴。餐中閒聊,張董事長回憶,他在史丹福大學攻讀博士學位時曾旁聽蕭克力的課程。在課堂上蕭克力霸氣十足,對學生往往不假顏色,某種程度反映其個性,讓張董事長印象深刻。不過蕭克力對半導體產業的影響,是無疑義的,因為半導體技術由「二」演進到「三」(電晶體),是關鍵的里程碑!

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>。