DPZ - 電的旅程

「第十八章：光電與液晶技術」
＜發光的半導體 ( 4 )＞……續上
紅光LED很快就被應用到計算機和電子手錶的顯示器上。LED的顏色悅眼，體積小，很受歡迎。材料研究員又發展了用磷化鎵（GaP）做成的LED，放入不同的雜質可發出橙光、紅光，甚至綠光。在物理上大家知道用不同顏色的光混合一起，可產生更多顏色，但如要發出白色，除了紅光及綠光外，還需要藍光。因為藍光的波長更短，所需半導體的能隙必須更大，材料技術更為困難。多年來全世界不少研究所都在競賽，看誰可先發展出藍光LED。在1992年，日本一家專營螢光材料的公司「日亞化學」（Nichia）宣布成功發展出藍光LED，先拔頭籌。日亞化學的資深研究員中村修二（Shuji Nakamura）經過不斷的嘗試，終於用他獨創的氣態沉積磊晶技術，合成氮化銦鎵（InGaN）的p-n接面，突破了藍光LED這個重要技術關口。……(待續)

「第十八章：光電與液晶技術」
＜發光的半導體 ( 5 )＞……續上
中村修二是很有個性的人。他覺得日本工業界有太多長年的陋規，對技術上真正有貢獻的人不公平，他發表了很多尖銳的批評，最後還把自己的公司日亞化學告上法庭，得到勝利，為很多長期受到壓抑的日本技術員出了一口氣。有了紅光、綠光及藍光LED，明亮的全色大型LED平面顯示幕面世了。現代很多室外超巨型顯示幕，用的都是這個技術。在2008年的北京奧運會開幕儀式上，也派上用場，大大露臉。
適度的將紅、綠及藍光LED的光混合在一起，可產生白光，但這種方法成本昂貴。有一個更簡單有效的技術，是把藍光LED外鍍上一層特別的螢光膜，先把一部分藍光轉換成波長較長的一種帶黃色的光，然後再和原來的藍光適當混合，產生白光。現今大多數白色照明用的LED，都使用這個技術。……(待續)

「第十八章：光電與液晶技術」
＜發光的半導體 ( 6 )＞……續上
LED的光是由電子和電洞復合時，由量子物理原理而產生的光，由電能直接轉變成光能的效率很高，比常用的白熾燈照明效率高出多倍，所以用LED來取代白熾燈，可以節省大量電能。目前LED的價格仍較高，但是LED的壽命可達3到5萬小時，遠較鎢絲白熾燈的1、2千小時為長。所以在一些特別應用上，如手電筒、街燈、交通號誌燈、車頭燈、車尾燈、液晶電視的光源及飛機機艙照明等，LED產品已具有很大競爭力。自從1962年以來，LED發光亮度不停以每兩年增加一倍的速度發展，與晶片的摩爾定律有同功異曲之妙。隨著亞洲國家的大力投資生產，LED的價格不斷降低，在不久的將來，LED取代白熾燈是完全可能的，對人類節能減碳的目標會起重要作用。
在LED及砷化鎵微波電子元件發展過程中，三五族半導體的材料技術得到了極大的進展。用化學氣態沉積（chemical vapor deposition）或分子束磊晶（molecular beam epitaxy）技術，人們可合成各種半導體單晶薄膜。除了極度精確控制半導體的成分和雜質外，對單晶薄膜厚度的控制更可達到單層原子的程度。有了先進的材料技術，很多本來只能憑空想像的元件結構，如異質接面（heterojunction）及量子井（quantum well）等都變成了現實。實用的半導體雷射也因此而產生。…… (完)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
有了個人電腦、網際網路、智慧型手機，足不出門也能盡知世界上發生的事。無論是新聞、球賽過程或股票價格，在網路上可得到即時的結果，還可完成即刻的買賣交易。更進一步，如果我們想蒐集關於某一個題目的資料，用網路搜尋引擎，幾秒鐘就可從分散在世界各地的伺服器中找到答案。這些資料可以是一篇文章、一首音樂、一張圖片或者是一支影片。分處各地的幾百萬人，可同時在網路上比賽電玩遊戲。現在世界上已有46億人擁有手機，在任何地方或時間，可打電話給其中任何一人。幾十年的幻想，曾幾何時都成了事實！

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜資訊革命 ( 1 )＞
人類歷史從技術角度來說，經歷了三次革命。
第一次是十七世紀英國帶頭的工業革命。瓦特的蒸汽機動力，解脫了人類倚靠自己或牛馬力量的限制。蒸汽機的原動力，促成了工業的發展、城市的崛起和數不盡的社會變遷，從此人類的生活方式和幾千年的傳統發生了劇變。
在十九世紀的中後期，世界發生了第二次工業革命，從通訊（電報、電話、無線電）、能源（電氣化、石油）到交通（鐵路網、電車、汽車）都產生了巨幅的改進。有了電報及電話，世界縮小了，跨國大企業開始興起，家中電燈的普及，使人類在夜間的活動大量增加。這次技術革命的中心在美國，而新興的電磁技術更是扮演了重要的角色。
從二十世紀的1970年代開始，世界進入了第三次技術革命。這次變革凸顯了資訊的非凡價值，所以稱為「資訊革命」。與第一次工業革命的蒸汽機及第二次工業革命的發電機與馬達、內燃機、電燈泡、電報或電話相比，資訊革命的技術基石是電腦、網路、智慧型手機及各種嶄新的系統概念與軟體程式。在這次革命中，電子技術是主角。…… (待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜資訊革命 ( 2 )＞……續上
電腦和網路硬體的核心技術是晶片微處理器、記憶體與光纖通訊。在1970年代中期，這些技術初次融合在一起，掀起一波巨浪。隨著摩爾定律的方向，晶片技術以每一至兩年翻倍的速度，持續發展到今天。保守的估計，從1970年開始到四十年後的今天，微處理器的綜合性功能或晶片記憶體的容量均增加了一百萬倍以上。硬碟容量及光纖通訊速度的進展還要更快。歷史上從未有三個重要而相關配套的技術（資訊處理、儲存、傳送）在四十年中，能同時進步一百萬倍！現代的電腦和網際網路，跟早期相比，就像A-380巨無霸客機和1903年萊特兄弟發明的飛機一樣，雖都是飛機，空氣力學的原理也一樣，但性能則有天壤之別了。
由於晶片及其他技術的高速發展，各種電子產品不斷的每年或每半年就更新換代。新一代的產品性能更高、用途更多樣化，然而價錢反而更便宜，這又使得市場不停擴張。在2010年，全世界半導體晶片的總產額已接近3,000億美元，直接支持了超過1,000萬個工作職位。如果再包括其他元件產業（液晶、光電等），加上產業鏈更下游的終端系統性產品，包括電腦、手機、通訊設備、消費電子、醫療儀器、車用電子、太空軍事等，總產額至少10倍於這個數目，且提供了數以億計的工作職位。至於密切倚靠應用這些技術的行業，數量之大更是無可估計。……(待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜資訊革命 ( 3 )＞……續上
在電子工業發展過程中，工業的結構和產業鏈也產生了很大的改變。半導體晶片、LED、液晶顯示等技術雖都由美國發明，但在商業化的過程中，這些產品的製造基地都轉移到了亞洲。歐美的工商界著重投資利潤的報酬率，半導體或液晶製造業都需極大的投資，但報酬風險大，管理及成本的變數也多。許多企業基於避免風險，不願投資這些製造業。亞洲國家則樂於在這方面投資，尋求發展新產業，創造就業機會。…… (待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜資訊革命 ( 4 )＞……續上
隨著製造業的外移，不少核心技術也由歐美擴散到了亞洲各地。在很多領域，譬如液晶顯示器，亞洲技術早已青出於藍。歐美大多數企業都把精力集中在產業鏈中高利潤的環節上，包括新技術的研發及應用，新產品的定位、設計、組合及營銷。問題是歐美的策略可否長期持續？亞洲工業已掌握了生產資源，又擁有足夠的資金及市場，該如何進一步發揮更大的競爭優勢？這些問題都值得深思。
最重要的因素應是新科技的發展。在未來世界，誰掌握了最重要的核心技術，就可以有最大的發言權。可是從歷史角度來看，單有新技術還不夠，更要懂得聰敏的應用。在產品定位上要具有卓越的眼光，在設計上也要有獨特的創意，可以預測大眾的喜愛。這些專長是相當重要的「軟性」核心技術，其內涵甚至包含文化修養及審美觀念，重要性不可小覷。可是怎樣才能培養這些人才及開創所需的環境呢？怎樣才能創造出持久亮麗的世界性品牌？在這方面，日本及韓國已有可觀的成就，亞洲其他國家也在沿著這條大道上齊頭並進。……(完)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜電子產品的模組化( 1 )＞
在電子工業的產業鏈變換中，有一個新的現象產生，就是技術的不斷「模組化」，或「積木化」。最易理解的是系統單晶片產品，各家廠商紛紛供應「晶片上的電腦」、「晶片上的手機」、「晶片上的全球定位系統」等。每種系統單晶片或元件，就像小孩子玩的樂高積木一樣，有不同形狀、顏色、大小、功用。運用這些積木，可搭出不同的組合，堆成房子、車子等各種「產品」。…… (待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜電子產品的模組化 ( 2 )＞……續上
舉例來說，一家企業要進入手機市場，手機的功能均包含在「晶片上的手機」系統單晶片的硬體和軟體中。為了推銷系統單晶片產品，設計商會教你如何使用他們的晶片組合，來生產完整的手機。所以推出終端手機產品的企業，本身不一定需要知道手機內部複雜的技術，只需設計自己品牌的外型，然後從別家廠商採購小型的液晶顯示器、鍵盤等，來搭配就可。如有必要，還可委託專門組裝的企業，把你設計的手機安裝生產，再貼上你的品牌。這也是為什麼「山寨手機」可以興起的原因。這些企業不需大量投資產品發展，因為基本技術的模組都由他人提供，所以進入市場的門檻很低，失敗的後果也有限。而對於系統單晶片設計商來說，因為產品有巨大的開放式市場，所以有量產的優勢，可有效的分攤設計成本。
這是一個很有經濟效益的制度，各企業各精其業，分工合作，形成多贏的局面。但在這產業鏈中，核心的高科技大都集中在系統單晶片的公司手上，而不是在終端手機品牌的製造商手裡。因為入市門檻低，終端產品公司如果沒有自己的競爭特色，只能在微薄的利潤空間中追逐。…… (待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜電子產品的模組化( 3 )＞……續上
在組合「模組」時，產品的定位是有分高下的，山寨手機是一個低檔的例子。眾所周知的高檔例子是蘋果電腦的iPhone。在這資訊時代，這是一個富有代表性的電子產品，成功的結合了兩百多年來電子技術發展的精華。iPhone是一部手機，同時又是收音機、電視機、錄音機、攝影機、導航儀、加速儀、網路瀏覽器、手電筒、鬧鐘、電子遊戲機、電子書閱讀器，當然還是一部高性能的電腦，擁有超過20萬種應用軟體。
毫無疑問，不久的將來會有更好的產品來取代，但在歷史上，iPhone會是經典之作。在細薄美觀的外殼內，容納了很多枚性能最好及具獨特設計的電子「模組」，包括最高速及低耗能的「晶片電腦」、最新的「觸控高解析液晶顯示器」、性能最好的微型麥克風、喇叭、最新的三軸加速探測器、高容能鋰離子電池等。所有的晶片及其他元件都用最先進的封裝技術搭配在一起。更重要的是iPhone中的系統軟體，把各種功能天衣無縫的連結在一起，使用者可輕易憑直覺來操控各種功能。難能可貴的是，這樣複雜多功能的產品，品質可靠耐用，價格也在多數人可以負擔的範圍之內，實是劃時代的產品！…… (完)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜展望未來 ( 1 )＞
電子工業五十年來一直沿著摩爾定律的路線在高速發展，不過摩爾定律的極限已快到來。這並不是危言聳聽，而是根據科學事實的結論。摩爾定律的原動力，是把每一枚電晶體的尺寸按照比例不斷縮小。隨著光刻、蝕刻和材料技術的進步，電晶體上最小的尺寸由10微米（1970年的技術）縮小到了約40到26奈米（2010年的技術），約有400倍。在此同時，電晶體結構上，二氧化矽薄膜的厚度也減少到了約5奈米，這個厚度不過是幾層矽和氧原子而已，要再減薄，已經快沒有原子了！各種跡象均表示，摩爾定律在今後十年中會達到終端，電晶體上最小的尺寸會縮小到7奈米左右。要達到這個目標，工藝與材料面對的挑戰之嚴峻難以想像，但成功的可能性極高。…… (待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜展望未來 ( 2 )＞…… 續上
研究上的真正突破，不一定是繼續尋找更小的電晶體替代品。人腦子中有無數的神經元複雜的連結在一起，神經元之間的訊號交換，是靠離子流動而完成的。這些離子導電很緩慢，遠比晶片中的電子兄弟們行動悠閒。但是不要忘記，很多人腦可做到的事情，超級電腦還做不到呢！這裡面有沒有特別的啟示呢？
其實所有技術經過長時期發展，都會達到成熟階段，進度會慢下來。電子技術經過五十年的超高速發展，漸趨成熟，毫不奇怪。尤其晶片技術已到了一個極高的境界，價值已從生產技術轉移到系統單晶片設計上去了。系統單晶片設計和軟體工程的進步，是沒有明顯極限的，只受限於人的想像力。雖然晶片製造工藝進展會慢下來，但我們可以期待，價值更高的晶片產品仍會源源不斷面世，繼續造福人群。……(待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜展望未來 ( 3 )＞…… 續上
晶片製造技術的發展會慢下來，但光纖與無線通訊的速度及硬碟儲存的密度，在技術上還有很大的發展空間，以後二十年中還會高速成長。平面及3D顯像的液晶技術，也仍在健康發展中。新材料技術「有機LED」（organic LED，或OLED）很有前途，因為OLED自身可發光，在耗能方面比液晶佔基本優勢，而且生產成本也有希望比液晶低，更有可能顯示幕可像紙一樣捲起來或折疊起來。不過OLED還有很多基本技術問題需要解決，最重要的是元件的可靠度。除了顯像外，有機半導體做成的廉價太陽電池，在解決能源問題上也可能佔有一席之地。……(待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜展望未來 ( 4 )＞…… 續上
MEMS（微機電系統）技術則會在各種領域的超微型感測器應用上發揮作用。譬如用MEMS晶片做的微型血壓、血糖及血脂測示器，已可移植到人體的動脈壁上，再用心臟跳動的能量轉化為電能，把即時測量到的心臟及血液的數據，用MEMS晶片上的無線電發射器傳送到隨身攜帶的智慧型手機上，再連結到網路網絡上的互動資料庫，時刻監察人体的健康狀態。這種技術還在萌芽階段，前途無量。……(待續)

「第十九章：資訊時代與電子發展前景」
＜展望未來 ( 5 )＞…… 續上
至於電池技術的發展則相當困難，鋰離子電池技術會不斷循序進步，但要在概念上有基本的突破，則可求而不可得，因為週期表上只有這幾樣元素。但願我的估計太保守了。嶄新的奈米材料技術如石墨烯（graphene，單層石墨），其獨特的性能有可能在這方面別創洞天。電子發展歷史上，充滿了突發的神來之筆，柳暗花明，說不定世界上某個地方現在有一個小孩，長大後會從完全意想不到的角度，解決了這個難題？
我們生活在資訊革命時代，下一個時代會是什麼呢？是綠色能源革命？還是生命科學革命？人類對能源、環保及醫學健康的需求是無窮無盡的。在這些未來的革命中，電子的功能一定會從多方面繼續發揮重大的影響。……(完)

「結語 ( 1 )」
在2010年，全世界半導體晶片的總產額已接近3,000億美元，直接支持了超過1,000萬個工作職位。如果再包括其他元件產業（液晶、光電等），加上產業鏈更下游的終端系統性產品，包括電腦、手機、通訊設備、消費電子、醫療儀器、車用電子、太空軍事等，總產額至少10倍於這個數目，提供了數以億計的工作職位。至於密切倚靠應用這些技術的行業，數量之大更是無可估計。
中國有句俗語叫「飲水思源」，今天大家享受著電子為我們帶來的各種好處，我們應該要瞭解人類學會駕馭電子的歷史。這本書主要是把歷史故事簡潔的聯貫融合起來，把事情發展的來龍去脈弄清楚，再用現代人的「事後宏觀」眼光，來解讀前因後果。讓我們再來簡短的重走一趟這段「電的旅程」吧。…… (待續)

「結語 ( 2 )」……續上
西方人的electron（電）這個字源自希臘文「琥珀」的意思，因其能產生靜電；而中國人的「電」則來自「雷電交加」，倒是和富蘭克林不謀而合。四百年前的吉爾伯特開始了對電與磁研究。他提倡了文藝復興中求真知的精神，用科學觀的方法示範了實踐求證真理的原則，結束了幾千年玄虛的形而上作風，為科學研究走出了重要的一步。
在吉爾伯特以後的兩百年當中，少數人受好奇心的驅使，開始對靜電做各種實驗，包括富蘭克林的風箏故事及避雷針的發明。我們可以看到，當時西方社會對電的研究抱有好奇及支持的態度，研究者受到普遍的尊重。在這段時期的中國，這種社會環境沒有出現。……(待續)

「結語 ( 3 )」……續上
現代電磁時代的正式開始，應歸功於伏特在1800年發明了電池，這個創新沒有前車可鑑，是一個神來之筆。有了固定的電源，各種實驗的結果可靠又可重複，奠定了以後科學技術發展的良好基石。
在電磁學早期的研究上，很幸運的出了兩位出類拔萃的科學家：法拉第及馬克士威。兩人天才橫溢，把電磁的知識扎下了堅實的根基。馬克士威的方程式是科學史上最偉大的成就之一。有了科學的依據，整個電磁的研究發明都有理可循。電磁波等現象神祕而不可思議，但在馬克士威的方程式下，一切都是合理、透明的，所以電磁的研究一直沒有走上偽科學的邪路。…… (待續)

「結語 ( 4 )」……續上
在早期尋求應用電與磁的現象時，摩斯第一個成功的發展了電報技術。人類社會對長途通訊有迫切的內在需要，電報正好滿足了這個慾望。不過，摩斯需要克服大眾對電的驚畏及無知。在摩斯成功的諸多因素中，美國聯邦政府的三萬美元支持極為重要，使得社會大眾有機會見識到電報真正的價值，產生了所謂「臨界點」。
另一個成功原因是電報技術的簡單性。摩斯密碼無形中選擇了「數位型」技術，遠比「類比型」技術簡單。摩斯電報只需用一條電線，就可有效的長途傳送訊息，這個技術最後普及到全世界。……(待續)