淺談電晶體

 淺談電晶體

李峻霣／臺大電機系教授

引言

過去近三十年來，台灣由一個以傳統加工出口產業為導向的小島，轉變成為一個以高科技產品製造聞名的科技新貴，期間所經歷過的發展歷史與背景，以及中間所牽涉到的真人真事與英雄事蹟，真是十分地精彩，但也很難在短短的幾頁當中訴說清楚。但是不論是所謂的晶圓代工、記憶體製造、電腦（筆電或平板）、手機、IC（積體電路）設計等等產業，都與一個已經在人類的科技史上留名的小東西有關，那就是—電晶體。今天很高興有機會來跟各位分享一下關於電晶體的發展過程、用處、基本原理、今後可能的演進以及淺談一下對未來台灣可能產生的影響。如同其它的科學或工程技術，電晶體的最初的發明並非與現今的應用有直接關連，因此現在我將帶各位回到過去，來回味一下電晶體的發明過程。

電晶體的發明

什麼是電晶體？這得要從其英文命名 — Transistor — 來談才容易了解，Transistor其實是二個英文字根的組成：tran 和 resistor（電阻），相信大家對於電阻都很了解，簡單來說電阻是由對電子傳導具有某種程度影響的電子元件，這裡所謂的影響可由電阻的大小來描述，若電阻值大時，意位著通過的電子數目較少（或者你可以想成電子移動的速度較慢）；同理，若電阻變小，代表電子較容易傳導。而 tran-sistor 可想作是一個「跨越」的電阻，何謂跨越呢？亦即在電晶體中，利用一個額外的控制接點，來對電晶體中的電阻來做控制（trans 的意思一般可視為非直接的意思），藉由電壓來控制接點，我們可以改變流經此電阻的電流（圖一），這樣的「想像」元件對於西元 1930 至 1950 年代早期的科學家來說，非常地引人入勝，原因是若我們輸入一個 1 安培（定義為每秒流過 1 庫侖的電荷）的電流從電阻的進入，若沒有任何的外接控制點，輸出端亦將會收集到 1 安培的電流；倘若透過外接輸入一電壓控制信號，來「通知」電晶體減少其電阻，那麼原本我們流入 1 安培的電流，輸出端的電壓變會增加，如此就可以使得信號放大，而這樣的觀念對於當時的電子元件科學家或工程師來說非常地重要，此種電晶體稱之為場效電晶體（field-effect transistor），藉由外加電壓來產生電場，再藉由該電場來改變電阻值以達到放大信號的效果，這就是電晶體名稱的由來。雖然這樣簡捷的物理觀念早在 1926 年由波蘭裔美國人 Julius Edgar Lilienfeld 向美國專利局提出申請，但這樣的觀念是否能夠付諸實行，在當時不時引起人們的討論；直到 1938 年時，二位德國物理學家以實驗證明在溴化鉀晶體中，纏繞著一根電線以做為控制接點，藉著改變該接點電壓而得到電流放大的結果。不過因溴化鉀以及該方法並不實用，雖首次證明了場效電晶體可做為放大信號之用，但卻沒有產生立即的實質應用。

或許大家透過其它科普書籍或文章得知電晶體的發明，是在 1947 年由三位貝爾實驗室工作的科學家—蕭克利（Schockley）、巴丁（Bardeen）和布萊頓（Brattain）所提出，這其實牽涉到一段非常長的故事，且他們三人發明的電晶體的運作原理與上一段提到場效電晶體並不相同（雖然達到的電流放大效果一樣，故亦稱為電晶體），在這裡我很快地回顧這段歷史，讓各位了解到科技史如同其它歷史故事一樣引人入勝，讓人浸淫其中而回味無窮。

當初貝爾實驗室也努力地想要利用半導體材料做出場效電晶體，然而經過多次試驗都告失敗，聰明絕頂的巴丁便提出了固體表面態的概念，簡單來說，任何一個固體材料，其位於材料中的原子與表面的原子所感受到的鍵結與能量分布必然不同（試想在表面的原子往外看是沒有東西跟他鍵結的，但往材料裡面看則是看到很多長一樣的兄弟姐妹），而這個表面態的能量較低，使得電子較易被侷限於此而無法脫出，故在半導體表面的電子無法進行傳導體作用，場效電晶體的效果一直無法被證實。

然而，或許是誤打誤撞，原本巴丁與布萊頓想要藉由減少表面態來實現場效作用，結果意外發現另一種能產生電流放大的點接觸電晶體，雖然是人類史上第一個發明的半導體電晶體，但該電晶體的運作原理與場效電晶體非常地不同，且並非是今日所廣為使用的電晶體，也證明了第一個不見得是想要得的，想得到往往也不見得最好的，這跟一般的歷史是不是也有很雷同的地方呢？

因為巴丁與布萊頓發明第一個電晶體時，所發表的科技論文與專利皆沒有與他們的頂頭上司蕭克利共同掛名，所以讓雙方的關係陷入了緊繃，自信心與能力極強的蕭克利自然無法忍受這樣的事情，因此他絞盡腦汁想要做出屬於自己的創造發明，首先，他想出一個具有電子與電洞（可簡單想成在半導體中缺少電子的時候，等效上可視作一個「洞」，該電洞因為是由缺少一個電子所造成，故攜帶的電性或正）的半導體接面，因為任何粒子都會因為濃度的不同而產生擴散現象，所以電子會擴散至電洞區，電洞則會擴散至電子區；因為任何材料原本為中性，電子區會因為失去電子而帶正電，電洞區則會帶負電，進而形成一個電場，任何帶電粒子進入此區域便會被該電場掃除，故此區域一般稱之為電荷空乏區（depletion region，圖二）。若我

們在電洞區的另一側增加一個多餘的電子區，亦會在這一端形成一電場，若此時由原本的電子區因擴散遷移至電洞區的電子感受到另一端空乏區的電場，便會迅訴地被掃除至這一多餘的電子區，而藉由調整電洞區的電壓，我們可以改變空乏區電場的強度，進而改變電流的大小以達到電流放大的功能，此種電晶體因牽涉到二種不同極性的粒子，故被命名為雙極性電晶體（bipolar transistor）。雖然在歷史上蕭克利並非是第一個發明電晶體的人，因為他是發明人巴丁與布萊頓的上司，再加上他也發明了另一種電晶體（實際上他發明的電晶體還比較廣為使用呢！），三人與很短的時間內共同獲頒了諾貝爾物理學獎，雖然當初他們因此事鬧翻早已先後離開貝爾實驗室，最後還是一同出席了頒獎典禮，而巴丁不知是否因為此事而未攜帶家人一同出席宴會，還被當時的瑞典國王小小抱怨了一下說怎麼不帶家人來，聰明的巴丁不知是具有超人的自信或是出於歐美間習以為常的幽默，告知國王等他下次領第二次獎的時候，一定會攜家帶眷出席的。果然，在巴丁領第一次物理獎後的數年內，他與的他博士候研究員與博士生共同提出了劃時代且完整的超導體理論，而獲頒了第二次物理學獎，他沒有食言做到了，值得一提的是，諾貝爾獎設立自今，只有巴丁獲得過二次物理學獎，而這兩個研究對人類科技的發展與貢獻，可以說是無遠弗界，跟其他科學巨擘相比，可真是不遑多讓（表一），不知後來蕭克利是否心中還耿耿於懷？

表一 曾得過二次諾貝爾獎的科學家，其中包立有一次是領取和平獎，另三人則是在科學領域中轉換跑道仍然做出卓越的貢獻。

姓名 國籍 第一次獲獎 第二次獲獎居禮夫人 Marie Curie 法國 物理獎（1903） 化學獎（1911）包立 Linus Pauling 美國 化學獎（1954） 和平獎（1962）巴丁 John Bardeen 美國 物理獎（1956） 物理獎（1972）桑格 Frederick Sanger 英國 化學獎（1958） 化學獎（1980）

半導體基板

電流

電阻

外加接點

電流供應端

（源極）

電流供應端

（汲極）

通道電阻

電