歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1956

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撰文者:爾諾
發文日期:2021-06-29
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  • 1956年的諾貝爾獎頒給發明電晶體的三位科學家:威廉·蕭克利(William Shockley,1910-1989)、約翰·巴丁(John Bardeen,1908-1991)以及華特·豪澤·布拉頓(Walter Houser Brattain,1902-1987)。電晶體被認為是現代歷史中最偉大的發明之一,它讓電子產品變得更小、更便宜,也由此開啟了數位時代的來臨。
     
    William_Shockley,_Stanford_University (1)
    威廉·蕭克利(William Shockley的照片、
    By Chuck Painter / Stanford News Service - Stanford News Service, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5683262

     
    Bardeen (1)

    John Bardeen的照片

    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1956/bardeen-bio.html, 公有領域, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6155225

     
    Brattain (1)


     
    Walter Houser Brattain的照片
    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1956/brattain-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6155892

    發明電晶體的這三位科學家都是美國人。蕭克利在英國倫敦出生。父母是美國人,在加州長大,1936年獲得了麻省理工學院博士學位。約翰·巴丁出生在威斯康辛州。父親是威斯康辛大學麥迪遜分校解剖學教授和醫學院院長。1936年,獲得普林斯頓大學數學物理博士學位。指導教授是尤金·維格納。 1938年到1941年間,巴丁擔任明尼蘇達大學助理教授,1941年到1945年在華盛頓海軍軍械實驗室工作。戰後加入貝爾實驗室。沃爾特·布拉頓則是1902年出生在廈門。其父母是在廈門教書的美國人。1903年,還在襁褓中的布拉頓隨父母返回美國。 1929年從明尼蘇達大學獲得哲學博士學位。他們在貝爾實驗室發明了電晶體。

    電晶體是由電流驅動的半導體元件,純半導體可藉由摻入雜質可以增加導電度。如果加入銻、磷、砷等元素,會產生許多電子,這種多出電子的半導體叫做N型半導體。加入銦、鋁、硼等元素後,半導體中就會產生許多缺少電子的空位,也就是空穴,這種半導體叫做P型半導體。金屬與N型或P型半導體之間的接合面或兩種類型的半導體之間有不對稱的導電性質,可以因此被用於改變電流而當作整流器。在第二次世界大戰末期,半導體整流器已經不是新奇的想法了,但是還無法製成元件來取代真空管。1945年戰爭結束後不久,貝爾實驗室成立了一個小組,由蕭克利和化學家斯坦利·摩根(Stanley Morgan)領導,其中包括約翰·巴丁,沃爾特·布拉頓,他們的任務是尋求一種固態器件來替代易碎的玻璃真空管放大器。

    蕭克利原先提議設計一個電場可跨越半導體薄板,藉此調控半導體的導電性。b然而這些實驗每次均告失敗。蕭克利對此大惑不解,於是他要求巴丁與布拉頓找出原因。巴丁苦思了五個月後的某一天,靈光乍現,領悟出可能的原因。他把這個想法寫在黑板上與布拉頓分享。巴丁認為,半導體帶電後,電子會困在表層,無法自由移動,形成了一個不易跨越的屏障,即使相隔1毫米之外有強烈電場,也無法穿透這個壁壘。換言之,表面態保護半導體內部不受帶正電荷的控制板影響。所以他們必須設法打破半導體表面形成的屏障。才能讓半導體發揮調節、開關和放大電流的功能。


    巴丁建議採用「光伏效應」,就是不同材料相互接觸的界面,會因為受到光照而產生電壓。他推測在過程中,可能會迫使某些形成屏障的電子開始移動。而布拉頓開始以通過在半導體表面上照射明亮的光來觀察表面態。 布拉頓必須在保溫瓶中進行某些實驗測試不同溫度下的反應。但矽表面凝結的水氣會干擾實驗結果,布拉頓於是把整套器材浸在介電液中。他把保溫瓶灌滿水,這是避免水氣凝結的簡單方法。1947年11月17 日他做了這個實驗,發現效果奇佳。幾天後巴丁提議,只需把一小塊尖銳金屬戳進矽片,並且在接觸點滴下一滴水或一點點凝膠就可以了。布拉頓找到一塊矽板,在上面滴了一滴水,然後用蠟包覆金屬線造成絕緣,再讓金屬線穿過水滴,刺進矽板。這個方法稍微放大了電流。他們先是用「鍺」來取代「矽」,得到的強化效果是之前的 330 倍。但是只在低頻的電流中有效。為此他們決定用一層氧化鍺來取代液體。


    在實驗的過程中,布拉頓發現他會不經意地洗掉氧化層,但電壓還是會有一些強化效果,而且是在所有的頻率中都能達成,這令他很訝異。另外,金的接點將鍺刺出小洞,可以將表面電子的干擾因素去除掉。12月16 日布拉頓就在一個塑膠做的三角形周圍圍上一條金箔片,再在三角形的一個頂點以刀片將金箔切開,得到相隔只有一根毛髮寬的兩個金接點。當將此頂點放到鍺上時,訊號會通過一個金接點,當它衝至另一個金接點時,訊號就會加強,這就是第一個「點接觸」的電晶體。巴丁和布拉頓兩個人在1947年申請點接觸電晶體(Point-contact Transistor)的專利時沒有把蕭克利的名字列入,這件事令蕭克利相當生氣難過。蕭克利於是秘密地開始發展以接面而不是點接觸為基礎來製造另一種電晶體。

    1948年2月13日,另一位團隊成員席夫(John N. Shive)建造了一個點接觸電晶體,在鍺的細楔形物的正反兩面都帶有青銅觸點,證明了電洞可以擴散到整個鍺中,而不僅僅是沿表面擴散。幾個月後,蕭克利就公布了一種全新的,堅固得多的新型電晶體,它的「三明治」三層結構一直被用於1960年代的絕大部分電晶體,並發展成為雙極接面型電晶體。

    然而蕭克利並未與巴丁及布拉頓和解,他利用主管的權威,不准巴丁和布拉頓做接合電晶體的研究。巴丁只好於1951年離開貝爾實驗室後到伊利諾大學擔任教授。後來反而因超導體的BCS理論再次獲得諾貝爾獎。布萊頓則留在貝爾實驗室,但轉到了另一個團隊。從此巴丁和布萊頓再也沒對半導體研究做出任何貢獻,蕭克利則一直影響著半導體的主流研究。不過蕭克利強勢且鮮明的個性讓他很快地也和高層鬧翻,在兩年後黯然地離開貝爾實驗室。


    蕭克利一生爭議不斷,晚年在史丹福大學任教,1989年因前列腺癌去世。布拉頓於1987年,因阿爾茨海默病逝世於西雅圖的一家養老院,而巴丁則在1991年過世,享壽82。

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