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电子元件的「二」「三」事

  • 林一平

林一平手绘之理查森(左)、弗莱明与狄佛洛斯特(右)。林一平

电子元件的演进,要由灯泡的发明谈起。

话说爱迪生(Thomas Edison)发明灯泡后,又很手痒的在灯泡中多放了一个电极,且洒了点箔片。然后他在这个电极加负电,发现箔片会翻腾漂浮。如果加正电,箔片则是不动如山,没啥反应。爱迪生搞不懂这个现象,但是觉得可以利用这个现象来制成电流计及电压计等实用电器,于是在1883年申请了一个专利,就是今日大家熟知的爱迪生效应(Edison Effect)。一直到1901年,在理查森(Owen Richardson)的研究之后,爱迪生效应终于得到解释,原来是电子的激发态引起箔片漂浮。理查森因此得到1928年的诺贝尔物理奖。

根据爱迪生效应,英国的弗莱明(John Fleming)在1904年发明了二极真空管(Diode;或称Valve)。这个元件是由一放射电子的加热灯丝与接收电子的屏极所组成。当屏极加入正电压便会产生电流,加入负电压却没有电流产生。二极真空管常见的应用是整流器,能将交流电转换成直流电,是电源供应器的必要机制。整流器也被用来当作无线电讯号的传感器。弗莱明的这项贡献被IEEE誉为「one of the most important developments in the history of electronics」。

狄佛洛斯特(Lee de Forest)研读了弗莱明的研究成果,在1906年将二极真空管内加入栅极,发明了三极真空管(Audion;或称Triode),可以控制电子的活动,使其具有放大信号与控制电量的强大功能,对于长途电话网络有重大影响:语音在长途电话线的传输过程很快就会衰减,而三极真空管能将讯号放大,让语音传得更远。三极真空管也促成了世界上第一座无线电广播电台,其于1921年在美国匹兹堡市建立,使无线电通讯迅速的扩散到世界各地。日俄战争时,《纽约时报》(New York Times)及《伦敦时报》(London Times)等媒体使用狄佛洛斯特的无线电设备发送新闻稿。

毫无疑问,真空管技术由「二」(二极真空管)演进到「三」(三极真空管),是电子工业发展史上的重要里程碑。然而弗莱明对于狄佛洛斯特的三极真空管发明是颇不以为然,认为狄佛洛斯特的想法并无创意,和他的二极真空管太相似了。于是打了数十年的专利权官司,直到1943年美国法院才判定狄佛洛斯特胜诉。科学的发明贡献仍需法律人来判决,亦令人感慨。

真空管由「二」到「三」的研发途径很自然地在半导体重演。德国物理学家布劳恩(Ferdinand Braun) 在1898年研发二极管(Crystal Diode)。接续布劳恩的发明,贝尔实验室于1945年开始研究半导体版本的三极管,发明了晶体管( Transistor ),取代真空管放大器,大幅改善真空管耗电、生热,且容易烧坏的缺点,变革了整个计算机及电信技术。

晶体管的发明者是萧克力(William Shockley)、布莱顿 (Walter Brattain),及巴丁(John Bardeen)。这三位科学家为了这个重要发明专利争执不休,虽然没有闹上法庭,却也刀枪剑戟,热闹非凡。其争执大概和萧克力的强势个性有关。

我于2012年11月受邀出席一场由台积电张忠谋董事长作东的晚宴。餐中闲聊,张董事长回忆,他在史丹福大学攻读博士学位时曾旁听萧克力的课程。在课堂上萧克力霸气十足,对学生往往不假颜色,某种程度反映其个性,让张董事长印象深刻。不过萧克力对半导体产业的影响,是无疑义的,因为半导体技术由「二」演进到「三」(晶体管),是关键的里程碑!

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>。