電子元件的「二」「三」事

電子元件的演進，要由燈泡的發明談起。

話說愛迪生(Thomas Edison)發明燈泡後，又很手癢的在燈泡中多放了一個電極，且灑了點箔片。然後他在這個電極加負電，發現箔片會翻騰漂浮。如果加正電，箔片則是不動如山，沒啥反應。愛迪生搞不懂這個現象，但是覺得可以利用這個現象來製成電流計及電壓計等實用電器，於是在1883年申請了一個專利，就是今日大家熟知的愛迪生效應(Edison Effect)。一直到1901年，在理查森(Owen Richardson)的研究之後，愛迪生效應終於得到解釋，原來是電子的激發態引起箔片漂浮。理查森因此得到1928年的諾貝爾物理獎。

根據愛迪生效應，英國的弗萊明(John Fleming)在1904年發明了二極真空管(Diode；或稱Valve)。這個元件是由一放射電子的加熱燈絲與接收電子的屏極所組成。當屏極加入正電壓便會產生電流，加入負電壓卻沒有電流產生。二極真空管常見的應用是整流器，能將交流電轉換成直流電，是電源供應器的必要機制。整流器也被用來當作無線電訊號的感測器。弗萊明的這項貢獻被IEEE譽為「one of the most important developments in the history of electronics」。

狄佛洛斯特(Lee de Forest)研讀了弗萊明的研究成果，在1906年將二極真空管內加入柵極，發明了三極真空管(Audion；或稱Triode)，可以控制電子的活動，使其具有放大信號與控制電量的強大功能，對於長途電話網路有重大影響：語音在長途電話線的傳輸過程很快就會衰減，而三極真空管能將訊號放大，讓語音傳得更遠。三極真空管也促成了世界上第一座無線電廣播電台，其於1921年在美國匹茲堡市建立，使無線電通訊迅速的擴散到世界各地。日俄戰爭時，《紐約時報》(New York Times)及《倫敦時報》(London Times)等媒體使用狄佛洛斯特的無線電設備發送新聞稿。

毫無疑問，真空管技術由「二」(二極真空管)演進到「三」(三極真空管)，是電子工業發展史上的重要里程碑。然而弗萊明對於狄佛洛斯特的三極真空管發明是頗不以為然，認為狄佛洛斯特的想法並無創意，和他的二極真空管太相似了。於是打了數十年的專利權官司，直到1943年美國法院才判定狄佛洛斯特勝訴。科學的發明貢獻仍需法律人來判決，亦令人感慨。

真空管由「二」到「三」的研發途徑很自然地在半導體重演。德國物理學家布勞恩(Ferdinand Braun) 在1898年研發二極體(Crystal Diode)。接續布勞恩的發明，貝爾實驗室於1945年開始研究半導體版本的三極體，發明了電晶體( Transistor )，取代真空管放大器，大幅改善真空管耗電、生熱，且容易燒壞的缺點，變革了整個電腦及電信技術。

電晶體的發明者是蕭克力(William Shockley)、布萊頓 (Walter Brattain)，及巴丁(John Bardeen)。這三位科學家為了這個重要發明專利爭執不休，雖然沒有鬧上法庭，卻也刀槍劍戟，熱鬧非凡。其爭執大概和蕭克力的強勢個性有關。

我於2012年11月受邀出席一場由台積電張忠謀董事長作東的晚宴。餐中閒聊，張董事長回憶，他在史丹福大學攻讀博士學位時曾旁聽蕭克力的課程。在課堂上蕭克力霸氣十足，對學生往往不假顏色，某種程度反映其個性，讓張董事長印象深刻。不過蕭克力對半導體產業的影響，是無疑義的，因為半導體技術由「二」演進到「三」(電晶體)，是關鍵的里程碑！