電晶體的情與仇

2019年12月一則新聞報導，台積電5奈米製程測試良率超過8成，電晶體密度較7奈米提升84%，是相當令人振奮的高科技成果，這讓我回想起1990年我在貝爾通訊研究公司(Bellcore)看到第一個電晶體(transistor)的歷史照片。電晶體是電話公司為了改善電話網路而發明的，當年大概沒有人想到，這個發明改變了整個電腦及電信技術。早期的電話網路採用真空管(Vacuum Tube)來放大語音訊號，如此才能在電話網路進行長途傳輸，然而真空管耗電、生熱，且容易燒壞。因此貝爾實驗室於1945年開始研究替代方案，以半導體元件來取代真空管放大器。當中最重要的三位科學家是蕭克力(William Shockley) 、布萊頓(Walter Brattain) ，及巴丁(John Bardeen)。

蕭克力雖然年紀最輕，卻是研究團隊的領導者，其中，巴丁擅長理論，而布萊頓則精於實驗，形成很好的互補。最早想法由蕭克力主導，但並未成功，第一個可行電晶體的理論則由巴丁提出，而由布萊頓不斷實驗測試，在沒有蕭克力的參與下，巴丁和布萊頓在1947年發明了點接觸電晶體(Point-contact Transistor)。申請專利時，並未加入蕭克力的名字，令他相當生氣，原本氣氛和諧的研究小組決裂，並與蕭克力關係形同路人，巴丁和布萊頓也因此更趨緊密。布萊頓稱讚巴丁是最有智慧的人，說道: ''John Bardeen was the most intelligent human being that I've ever met.''

於是，深受刺激的蕭克力開始秘密地研究另外一種接合電晶體(Junction Transistor)，寫下558頁的鉅著《Electrons and Holes in Semiconductors》，成為半導體教科書中的聖經。接合電晶體比點接觸電晶體更容易製造，也更具有商業價值 ，蕭克力在1951年獲得接合電晶體的專利，吐了一口怨氣。然而，他並未和巴丁及布萊頓和解，依勢主管權威，不准兩人做接合電晶體的研究。巴丁只好改做超導體(Superconductivity) 研究，並於1951年離開貝爾實驗室。布萊頓不願和蕭克力共事，轉到另一個研究群，從此巴丁和布萊頓再也沒對半導體研究做出任何貢獻，而蕭克力則一直影響著半導體的主流研究，不過蕭克力的個性令人不敢恭維，很快和上層經理鬧翻，於1953年離開貝爾實驗室。

蕭克力一生爭議不斷，晚年在史丹福大學任教，研究基因學，研究報告中對黑人的智能做了一些評論，惹出許多風波。蕭克力的說法受到了社會達爾文主義和實用主義的影響，承襲美國法官霍姆斯(Oliver Wendell Holmes)的哲學觀。霍姆斯認為州政府強制給智障者絕育並不違反聯邦法律，他聲稱：「痴獃人有三代就夠了。」這是霍姆斯在判例中奉行社會達爾文主義的著名例子。因霍姆斯在對待種族和貧困問題上的個人態度上有精英主義之嫌，遭到了批評，被認為是「對損害大眾的罪惡一無所知」。蕭克力宣揚和霍姆斯類似的觀點，讓他的諾貝爾獎光環失色。

電晶體的發明，顯然對人類的生活，有著重大影響，數十年後，各界仍紀念這個偉大發明。1956年，這三位科學家終於一笑泯恩仇，共同獲得諾貝爾獎。巴丁只帶一位小孩參加當年的諾貝爾獎頒獎典禮，另外兩位兒子沒有來，此舉引起了瑞典國王古斯塔夫6世(Gustaf VI Adolf)的不滿，於是巴丁連忙保證，下次得獎時所有小孩一定都到齊。巴丁因為超導體研究，於1972年再度贏得諾貝爾獎。這次，他果然信守承諾，帶三個小孩參加頒獎典禮。巴丁離開貝爾實驗室後到伊利諾大學擔任教授，他指導的第一位學生Holonya發明了LED。布萊頓則從一而終地待在貝爾實驗室，並沒有因為得諾貝爾獎後，身價高漲而選擇跳槽。