電的旅程 目 錄 CONTENTS
推薦序 電磁科技發展的「資治通鑑」◎李嗣涔 自 序 引 子
第一部 電磁時代
第 1 章 電磁科學基礎
16
旅程的起點 科學方法 魔術般的靜電 電源的突破 電磁本一家 一代宗師法拉第 絕世奇才馬克士威
第 2 章 電報
34
電流傳播訊息 消除時空間隔 智慧財產權紛爭 「數位型」技術 市場成長與影響
第 3 章 電話
48
聲音從電線上傳來 電話創業與泰特．費爾 專利權世紀之戰 類比型技術與音樂留聲
第 4 章 無線電報
60
赫茲的傑作 馬可尼與無線通訊 飛越大西洋
第 5 章 電燈與電氣化
69
照明系統工程 發電機與馬達 電流之戰 電氣化新氣象 愛迪生、特斯拉與西門子 電磁一百年
(
8 10 12
第二部 真空電子
第 6 章 電子真面目
89
陰極射線 湯姆森與電子 穿透性的X光
第 7 章 控制電子的基本工具 愛迪生效應 神奇的第三極 三極管與長途電話
第 8 章 收音機
102
1904年聖誕夜 收音機核心技術 RCA與沙諾夫 阿姆斯壯的悲劇
第 9 章 電視機
112
技術挑戰 鄉下青年與白俄移民 空中傳來的視頻
第10章 雷達
119
千里眼 最珍貴的行李 精確的導航定位 微波世界
第11章 電腦
128
計算機 電子巨無霸 現代電腦的框架
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96
第三部 固態電子
第12章 貝爾實驗室與半導體 第13章 電晶體的誕生
141
三極體概念 奇特的p-n接面 電晶體技術大突破 蕭克萊最後的微笑
第14章 電子工業起步 分享技術
矽晶登台
初試啼聲
155 日本先驅
第15章 矽谷與晶片 蕭克萊與「八叛徒」
平面製程與晶片
第16章 晶片技術的飛躍 摩爾定律
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136
凱利的先見 變化莫測的半導體
晶片記憶體
晶片上的電腦
163 快捷與矽谷現象
182 琳琅滿目的應用
第17章
晶片工業的變遷
亞洲來的競爭者 台灣與晶圓代工
第18章
光電與液晶技術
發光的半導體
第19章 資訊革命
195
晶片設計電腦化 諾宜斯、摩爾與葛洛夫
半導體雷射
208
光纖通訊
液晶顯像
資訊時代與電子發展前景 電子產品的模組化
展望未來
229
結 語 附錄A
人物姓名中英對照及生平
236
附錄B
專有名詞中英對照
242
附錄C
參考資料
248
222
獻給 我的父親 張耀章 先生 及 我的導師，皮爾森 教授（Gerald L. Pearson）
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電的旅程
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電磁科技發展的「資治通鑑」 李嗣涔（國立臺灣大學校長）
張大凱是我的師兄，我們同樣在史丹福大學電機系皮爾森教授指導下獲 得博士學位，他 1974 年畢業，我 1977 年進入皮爾森教授門下，所以念書的 3 年中並沒有見過師兄，但是他的博士論文是我做研究時研讀最仔細、最詳 盡，依賴最深的參考資料，讀的時候有種「過癮」、「豁然而通」的暢快， 甚至 1982 年我回到台大電機系任教時，也把它帶回台灣。我一直好奇，師 兄為什麼寫得出那麼有深度的論文？ 30 多年後的今天，讀到他的新書以後 （我在 2010 年畢業 30 年後才第一次見到大凱）我終於知道了原因，原來他 在 1960 年代末、1970 年代初期曾在快捷半導體公司（美國矽谷的催生者） 工作過三年，熟悉半導體所有的最新技術及理論，引用到他的論文所致。這 次讀他的新書，那種「過癮」、「豁然而通」的感覺又再度回來了。 大凱寫的人類駕馭電子的歷史過程，氣勢磅礡橫跨 200 年，他與一般寫 科學史的書著重於描述單一發明家及單一新科技發現的過程不同，他特別融 會貫通所有電磁新科技的成功歷程，著重描述從新發明到產業化成功，進而 造福社會，改變社會文明的關鍵歷程。尤其著重管理者的因素。因此使我們 了解到一個足以改變文明的科技發明，要能真正成功上市，為世人所用，專 利的獲得，有眼光的投資者，加上能力傑出的管理者，都是不可或缺的因 素。不管是電力系統、電報、電話、電腦、真空電子、電晶體、積體電路等
電磁科技發展的「資治通鑑」 ●
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都是如此，除了創新的技術外，天時、地利、人和都扮演重要角色。通常一 個極端聰明的發明者，往往受限於個人的自負與人和不佳，而無法把自己的 發明成功的產業化，而需要靠另外一群精明的管理者來完成，這些故事對擁 有技術、有志創業者，具有很大的啟發作用。 大凱對電晶體發明人蕭克萊的描述深得我心，他在 1971 到 1972 年修蕭 克萊教授的課，印象裡蕭克萊「和善客氣，一點也沒有架子」，看著這位微 微駝背、帶著金絲邊眼鏡、面帶微笑，好像與世無爭的長者，很難和歷史上 的蕭克萊連起來。我 1976 年到史丹福大學讀博士時，蕭克萊已經退休，偶 然會來他的辦公室，我有一次在走廊碰到他，遠遠走過來，一個矮矮的、慈 祥的老人，卻是一個半導體的巨人。有為者亦若是的豪情油然而生。由於大 凱親身經歷過固態電子的發展有 40 年的經驗，因此有很多美國電子公司分 合第一手的資料，很值得參考。 我 讀 這 本 書 的 時 候， 愈 來 愈 感 覺 像 是 在 讀 電 磁 科 技 發 展 的「 資 治 通 鑑」，每個主題以人為主軸，按年代記錄科技發展進度，充滿了人文精神， 是想了解近代電磁文明歷史的最佳讀物。
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自序
我們生活在資訊時代，電子技術對日常生活的影響無所不在，現代人雖 然享受著電子技術帶來的各種便利與品質的提升，但絕大多數人對電子的歷 史所知不多，知道的也只是幾個「點」，如愛迪生發明電燈、貝爾發明電話 等。其實電子發展的過程相當戲劇化，令人深思，即使完全沒有技術背景的 人也值得一讀。對電子工業有興趣或與電子工業有切身關係的人，電子發展 史更是重要。在歷史上發生過的很多事情，到今天仍值得借鏡。知道了電子 歷史，學習過程中會更有歷史觀，工作上也更會有歷史使命感。 我自己是學電子的，一直對電子技術的發展及應用很有興趣。在早期 矽谷成長階段自己也有過親身經歷，接觸過不少近代電子工業發展過程中的 重要人物，所以對這段歷史特別有感覺。十多年來看了不少關於電子歷史的 書，近年有了網際網路，資訊更是豐富。絕大多數這方面的書都是傳記式 的，作者用詳細的資料介紹一個發明家和有關發明的過程，都很有價值。不 過在發明成功後，書也就結束了，很少繼續探討發明對市場的形成及社會的 衝擊，更沒有展現歷史的連續性。這些書看得多了，有時字裡行間可以覺察 到很多表面看來似不相連的發明，其實背面是有密切關係的。從這個角度去 觀察電子技術發展過程，富有價值，也別饒韻味。由此可以更清晰的看到重 要發明的前因後果。很多一直不懂或沒有想到過的事情，常會因此而恍然大 悟。於是我心中存了一個念頭，想把電子歷史上的故事融會貫通起來，加以 解讀，再把這些想法與大家分享。
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多年來雖有寫書的心，但工作繁忙，沒有機會，只好空閒時繼續看相關 的書，廣集資料，努力思考，當作嗜好。兩年前退休後，屬於自己的時間多 了，有心開始寫書，想把電子的歷史從古希臘一直寫到現在。等到把大綱整 理好後，心中不由得又猶豫起來，因為內容的面太廣，敘述的時間軸又長， 再加上人物眾多、關係複雜。我的目標是寫一本可讀性強又可普及的書，所 以篇幅有限，自己不能確定能否寫得好。不過我九十五歲高齡的父親不斷鼓 勵，認為這些知識和深度的想法對很多人會有價值，尤其是今日中國的年輕 人，所以最後決定盡力一試。宗旨是把持著歷史的大方向，著墨於重大發明 的來龍去脈與影響，包括對主要人物的描寫。嘗試把很多大家已經知道的 「點」，合乎邏輯的連成「線」及「面」。書中還選用了很多珍貴的歷史照 片，圖文並茂，使讀者對重要人物與技術有更深刻的感受。在選擇及解讀資 料時，主觀因素及疏漏難於避免，但內容上力求準確、平衡。衷心希望讀者 看後會有所收穫，也有所啟發。 在寫書過程中得到很多朋友的鼓勵與指點，包括加州大學洛杉磯分校的 張懋中教授與台灣清華大學的李雅明教授。很感謝我的哥哥張大健博士為書 中每一章所題「章回小說」式的標題，細嚼很傳神，更感謝我太太汪佩華的 一貫支持。最後衷心的感謝台灣天下文化出版社科學叢書總監林榮崧與副主 編畢馨云對原稿的精心潤飾，特別是對眾多人物的名字及技術詞彙作出統一 而正確的中文翻譯。
張大凱，2010 年 12 月於加州千橡城
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引子
「唧、唧、唧……」熟悉的蟋蟀聲把我從睡夢中吵醒。這不是真的蟋蟀 在叫，而是我 iPhone 的鈴聲，用來做鬧鐘。看看螢幕上才是早晨六點多， 天已朦朦亮。按了一下 iPhone 上的鍵紐，看一下今天的天氣預報。再按了 一下螢幕上的日曆，今天一天的工作日程及會議已一目瞭然。到此時人雖還 在床上，但精神已完全醒來。紐約股市剛開市，我習慣性的再按一下螢幕， 看到股市大漲，精神為之一振。起身走入浴室，開了燈，用電動刮鬍刀剃去 鬍子，再用電動牙刷仔細清洗了牙齒。走入廚房，從電冰箱裡拿了一瓶豆漿 放入微波爐，拿了兩塊麵包放入電烤爐，再從電保溫壺中用熱水沖了一杯咖 啡。兩分鐘後，已舒服的坐在餐桌上享用簡單的早餐了。順手用遙控器打開 了液晶大電視，選擇了熟悉的新聞頻道。一面吃早餐、一面看著發生在世界 上各個角落的大事。播廣告的時候，順手在 iPhone 上看了一下隔夜進來的 電子郵件。再在 iPhone 上看了一下地圖，主要是查看路上交通狀況。看到 有兩段高速公路塞車嚴重，看樣子今天要繞走海濱公路了。 把手提電腦放入公事包，預備上班去。走入車房，按了一下牆上鍵紐， 電動馬達將車房大門徐徐打開。坐上車子發動了引擎，冷氣撲面而來，頭腦 更是清醒。收音機傳來新聞廣播員的聲音，忽然對新聞有一些排拒感。一按 鍵紐選擇了一個古典音樂頻道，優雅的提琴聲掃除了一切煩躁，心平氣和 的來迎接一天新的挑戰。剛駕車上路，iPhone 的鈴聲就響了，掀了一下控制 「藍牙」的樞紐，手不離開方向盤就可講電話。原來是祕書打來的，提醒我
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今天下午有一個重要客人要來，其實我從 iPhone 的日曆上早已知道。車子 開到海濱公路，真如所料完全沒有塞車。踏上油門，車子在多枚電腦晶片控 制下，風馳電掣的在路上平穩開著，看著蔚藍的海，聽著悅耳的音樂，想想 人類真不簡單，怎麼能有如此的智慧，可以創造出這麼多不可思議的技術， 來改善自己的生活！ 讀者不妨數一數，從早上起床到上班這段時間，我已直接用了二十多 種不同的電子功能，從行動電話到網際網路，從電燈到冷氣，從微波爐到全 球定位衛星。億兆個微小的電子在像大城市街道圖一般複雜的微型晶片上不 停奔跑，在我們的控制下永不疲勞的提供服務，而電子的搭檔電磁波，則在 空中到處飛翔，用光的速度幫我們傳遞著各種訊息。電子及電磁波都是看不 見、摸不著的東西，既神祕又抽象。 人到底是怎樣學會駕馭電子的呢？這趟旅程人類是怎樣走過來的？ 今天大家享受著電子技術為我們帶來的各種好處，令我們的工作效率大 幅提高，生活更方便，也更多姿多采。大家可以想像一下，如果全世界的發 電機都永久停頓下來，電池也都用盡，我們的生活將會變成怎樣？到時燈都 熄滅，所有馬達都停止轉動，車子無法啟動，水龍頭沒有水出來，電視、電 腦、手機和網際網路均失效。從歷史角度來看，最可能的答案就是時光快速 倒退兩百年，人類的生活會倒退回十九世紀初期去了！ 講起歷史，我們大多讀過世界史，對中國歷史更是如數家珍。可是電子 發展的歷史，相信極大多數人知之甚少。大家只知道愛迪生發明電燈、貝爾 發明電話等故事，但對整個歷史過程所知只是一鱗半爪，沒有連貫性。 其實電子的發展史上充滿了戲劇化的變遷，其間雖然沒有帝王將相， 但有偉大的科學家、工程師；有傑出的企業家，也有目光卓越的投資者。在 新技術產生過程中，有時是當事人多年苦苦耕耘的收穫，也有時是靈感出現 時，天上掉下來的神來之筆。這本書主要是把歷史故事聯貫起來，用現代人
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的眼光來解讀重要發明的前因後果，著墨於主要人物的個性與貢獻，並探討 這些發明對人類生活長遠的影響，抓著重點，深入淺出，力求精簡。 在書中讀者可以瞭解到電磁的科學基礎是怎樣建立的？電話、電腦、雷 達、電視等應用又是怎樣發展起來的？著名的發明家如愛迪生、貝爾、蕭克 萊，他們到底有什麼具體的貢獻？事實真相又是如何？矽谷是怎樣開始的？ 著名的電子企業像 AT&T、西門子、GE、英特爾、Sony 及台積電等，又是 怎樣創業的？所有這些答案在電子歷史上都有著千絲萬縷的關連。這些事蹟 還傳達了很多寶貴的經驗，值得我們借鑑。 本書的結構是根據歷史時間來安排的，因為發明的過程隨著時間而演 進。我把電子科技的發展分成三個時期：電磁時代（electro-magnetism）、 真空電子時代（vacuum electronics）、以及現在的固態電子時代（solid state electronics）。在科學技術發展的同時，是各種應用和產品的誕生；有時應 用技術還走在科學研究的前面。幾百年的歷史，就是科學、技術、應用、產 品互相衝擊所形成的，而在這些成就的背後，是數不清的聰敏才智之士和他 們的努力。