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晶体管的情与仇

  • 林一平

林一平手绘之萧克力(左)与布莱顿(右)。林一平

2019年12月一则新闻报导,台积电5纳米制程测试良率超过8成,晶体管密度较7纳米提升84%,是相当令人振奋的高科技成果,这让我回想起1990年我在贝尔通讯研究公司(Bellcore)看到第一个晶体管(transistor)的历史照片。晶体管是电话公司为了改善电话网络而发明的,当年大概没有人想到,这个发明改变了整个计算机及电信技术。早期的电话网络采用真空管(Vacuum Tube)来放大语音讯号,如此才能在电话网络进行长途传输,然而真空管耗电、生热,且容易烧坏。因此贝尔实验室于1945年开始研究替代方案,以半导体元件来取代真空管放大器。当中最重要的三位科学家是萧克力(William Shockley) 、布莱顿(Walter Brattain) ,及巴丁(John Bardeen)。

萧克力虽然年纪最轻,却是研究团队的领导者,其中,巴丁擅长理论,而布莱顿则精于实验,形成很好的互补。最早想法由萧克力主导,但并未成功,第一个可行晶体管的理论则由巴丁提出,而由布莱顿不断实验测试,在没有萧克力的参与下,巴丁和布莱顿在1947年发明了点接触晶体管(Point-contact Transistor)。申请专利时,并未加入萧克力的名字,令他相当生气,原本气氛和谐的研究小组决裂,并与萧克力关系形同路人,巴丁和布莱顿也因此更趋紧密。布莱顿称赞巴丁是最有智能的人,说道: ''John Bardeen was the most intelligent human being that I've ever met.''

于是,深受刺激的萧克力开始秘密地研究另外一种接合晶体管(Junction Transistor),写下558页的钜著《Electrons and Holes in Semiconductors》,成为半导体教科书中的圣经。接合晶体管比点接触晶体管更容易制造,也更具有商业价值 ,萧克力在1951年获得接合晶体管的专利,吐了一口怨气。然而,他并未和巴丁及布莱顿和解,依势主管权威,不准两人做接合晶体管的研究。巴丁只好改做超导体(Superconductivity) 研究,并于1951年离开贝尔实验室。布莱顿不愿和萧克力共事,转到另一个研究群,从此巴丁和布莱顿再也没对半导体研究做出任何贡献,而萧克力则一直影响著半导体的主流研究,不过萧克力的个性令人不敢恭维,很快和上层经理闹翻,于1953年离开贝尔实验室。

萧克力一生争议不断,晚年在史丹福大学任教,研究基因学,研究报告中对黑人的智能做了一些评论,惹出许多风波。萧克力的说法受到了社会达尔文主义和实用主义的影响,承袭美国法官霍姆斯(Oliver Wendell Holmes)的哲学观。霍姆斯认为州政府强制给智障者绝育并不违反联邦法律,他声称:「痴獃人有三代就够了。」这是霍姆斯在判例中奉行社会达尔文主义的著名例子。因霍姆斯在对待种族和贫困问题上的个人态度上有精英主义之嫌,遭到了批评,被认为是「对损害大众的罪恶一无所知」。萧克力宣扬和霍姆斯类似的观点,让他的诺贝尔奖光环失色。

晶体管的发明,显然对人类的生活,有着重大影响,数十年后,各界仍纪念这个伟大发明。1956年,这三位科学家终于一笑泯恩仇,共同获得诺贝尔奖。巴丁只带一位小孩参加当年的诺贝尔奖颁奖典礼,另外两位儿子没有来,此举引起了瑞典国王古斯塔夫6世(Gustaf VI Adolf)的不满,于是巴丁连忙保证,下次得奖时所有小孩一定都到齐。巴丁因为超导体研究,于1972年再度赢得诺贝尔奖。这次,他果然信守承诺,带三个小孩参加颁奖典礼。巴丁离开贝尔实验室后到伊利诺大学担任教授,他指导的第一位学生Holonya发明了LED。布莱顿则从一而终地待在贝尔实验室,并没有因为得诺贝尔奖后,身价高涨而选择跳槽。

现为交通大学资工系终身讲座教授暨华邦电子讲座,曾任科技部次长,为ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究兴趣为物联网、行动计算及系统模拟,发展出一套物联网系统IoTtalk,广泛应用于智能农业、智能教育、智能校园等领域/场域。兴趣多元,喜好艺术、绘画、写作,遨游于科技与人文间自得其乐,著有<闪文集>、<大桥骤雨>。