晶体管的情与仇

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电脑及电信技术。早期的电话网络采用真空管(Vacuum Tube)来放大语音信号，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页的钜着《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着半导体的主流研究，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着名例子。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伊大学担任教授，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。