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风云人物:“晶体管之父”威廉·肖克利

发布时间:2012-11-19 下午4:49

作者: Gkk

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说起高科技的首都硅谷(Silicon Valley),不能不提William Shockley。硅谷位于美国加州旧金山市南郊,从前叫圣塔克拉拉谷地,Santa Clara Valley。1971年,一个记者写了一系列报道,题目叫“美国硅谷”。“谷”代表这个地区的地形地貌,“硅”是半导体的基本元素。硅谷由此得名,并成 为高科技园区的代名词,譬如北京中关村地区就被成为中国的硅谷。2002年,老肖生前30位同事自发举办了一次追思会,称老肖“把硅带给了硅 谷,Brought silicon to Silicon Valley”,口气如同说上帝给世界带来了光,倍极荣耀。
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?????? 肖克利(Shockley,William Bradford) 英国-美国物理学家。1910年2月13日生于英国伦敦。 肖克利是一个采矿工程师的儿子,1932年毕业于加利福尼亚理工学院,并于1936年在马萨诸塞州理工学院获得博士学位。其后,他在贝尔实验室搞技术工 作。1936~1942年在贝尔实验室工作,1942~1945年在美国海军反潜作战研究小组任职,1945~1954年任贝尔实验室固体物理研究所主 任,1954~1955年任晶体管物理学研究主任。1958~1960年任肖克利晶体管公司经理。 1960~1965年在克莱韦特晶体管公司肖克利晶体管部任顾问。1965~1975年任加利福尼亚理工学院客座教授、斯坦福大学工程科学与应用科学教 授。
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?????? 在贝尔实验室,肖克利与它的合作者巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Walter Houser Brattain)在研究工作中偶然发现了一个有趣的现象。人们早已知道某些矿石晶体可用作整流器,也就是说,它们只允许电流在一个方向上通过。交流电通 过这样的晶体就被整流,结果只有一个方向的流动,因此出现了脉动的直流电。 假若无线电设备用交流电供电,这样的整流就是必需的。矿石晶体首先被用于这个方面,因此早期的无线电接收机称为矿石机。后来由弗莱明和德福雷斯特所发展起 来的电子管,给无线电工作者提供了更有效和更方便的整流器,晶体整流器便无人问津了。
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?????? 但是事物是螺旋式上升的,肖克利发现掺有某种极微量杂质的锗晶体远比上一代人早已使用的整流器要好,而且在某些方面比电子管整流器还要好。 锗晶体中的杂质既有可能提供多余的电子---这时,在加上电位后,电子就向正电极移动(没有向负极移动的);也可能造成电子的不足,这时在本该有电子的位 置上就产生了“空穴”,这样,在外加电位时,空穴就向负极移动(没有向正极移动的)。无论在那一种情况下,电流都只能沿单方向流过。 1948年,肖克利找到了将这种“固体整流器”结合起来的方法,结合的结果不仅能整流还能放大电流,简而言之,能执行电子管的所有功能。这种器件称为晶体 管。
??????? 五十年代,晶体管的制造技术实现了标准化,产品更可靠而一致,这样晶体管就开始代替电子管。晶体管的体积比电子管小得多,所以可以使无线电设备小型化。晶 体管还无需预热就可以工作(晶体管没有电子管中的灯丝,在工作前不需要先把灯丝加热到很高的温度)。 大型电子计算机晶体管化以后,体积也大大缩小。五十年代后期,为了使足够多的仪器能放入人造卫星中,而又要避免将它们升到空间去时消耗大量的燃料和能量, 放在人造卫星中的设备的体积和重量必需尽可能小,这样就更迫切地促使器件小型化。 为了普遍实现微型化,更小的电子器件已经制成。
?????? 1953年,马萨诸塞理工学院制出了一种“冷子管”,它是由处于液氦温度的两根缠在一起的导线所组成。若在一根导线中通、断电流,导线周围的磁场就会发生 变化,另一根导线中的超导性就会交替地消失和产生。另外,江崎隧道二极管也比普通晶体管更小,速度更高和更耐用。
??????? 在固体半导体(如锗或硅,它们比绝缘体如玻璃或硫磺有较大的导电性;比真正导体,如金属的导电性要差)中利用微电流器件,这便开创了“固体物理”这一学 科。能够使热直接转换成电的热电子器件以及能使太阳辐射直接转换成电的太阳电池也正在迅速发展。 肖克利、巴丁和布拉顿由于发明了晶体管,在1956年共同荣获了诺贝尔物理学奖。1955年,肖克利担任美国国防部武器系统评价组研究主任,1963年任 斯坦福大学工程科学教授。
?????? 1999年,美国时代周刊评选20世纪100位最有成就的科学家,首推爱因斯坦,Shockley也名列其中。1956年诺贝尔物理学奖,颁发给了 Shockley和他另外两位同事,John Bardeen和Walter Brattain,表彰他们“在半导体领域的研究和晶体管效应的发现”。起初诺贝尔物理学奖只面向纯基础研究,至于把科学化为生产力的应用科学,经常被认 为动机中夹杂着或多或少的实际考虑,因此可能侵蚀研究质量。但是Shockley他们的研究,对人类科技的发展贡献卓著,有人统计发现,当今世界晶体管的 数量比报刊书籍中印刷的词汇的数量还要多。坐在象牙塔顶端的诺贝尔奖评审委员会自然不敢忽视这一成就,在历史上第一次把诺贝尔物理学奖颁发给了应用科学家 Shockley和他的同事。
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?????? 如果只看这些成就,Shockley 的一生可以说是伟大的光荣的一生。但是事实并非如此,或许用悲喜交加来概括Shockley一生可能更合适。
?????? 1945年二战结束后,贝尔实验室(Bell Laboratories)任命Shockley组建固态物理研究小组,组员包括Bardeen和Brattain。他们的第一个尝试是通过外加电场来影 响半导体的导电性能,这个想法是Shockley提出来的。可是不论选用什么材料和配置,实验总是莫名其妙地失败。众人苦思冥想不得其解,直到 Bardeen猜测说,失败的原因会不会是因为半导体表面的物质结构与半导体内部的物质结构不同,导致电场无法穿透半导体。这个猜想让大家顿开茅塞,于是 大家集中精力研究半导体表面的物质特性。他们每天碰面,交换发现和想法,气氛很high。当他们着力改进半导体和导线的接触面的时候,研究取得了突破性进 展。一转眼到了1947年年底,Bardeen和Brattain成功地设计出了点接触式晶体管,实现了Shockley的预想。但是遗憾的是,当时 Shockley不在场。

世界上第一只晶体管(The first tansistor in the world)
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?????? 和大家一起跌打滚爬两年多,最辉煌的时刻来临的时候,却被错过了,Shockley心里当然很不是滋味。更让Shockley恼火的是,贝尔实验室的律师 在申请专利的时候,居然不把老肖的名字列在专利发明人中。Shockley的愤怒不完全是出于嫉妒,他认为Bardeen和Brattain的设计的理论 基础是自己的场效应理论。就像踢球一样,不应该把所有功劳都让临门一脚的射手独占,场外教练员的指导才是最重要的。不过Shockley的反应有点过激, 他四下活动,企图让自己成为这些专利的唯一发明人。而且明人不做暗事,他还把自己的打算告诉了Bardeen和Brattain。这两位也火了,分一羹也 罢了,想吃独食,没门。
?????? 与此同时,Shockley悄悄琢磨如何改进点接触式设计,企图超越Bardeen和Brattain的成就。Shockley不愧是高人,经过两年的疯 狂工作,他发明了三明治式的新设计。这一设计,以它出色的性能和简易的制造工艺,完胜Bardeen和Brattain的设计。不仅设计取得巨大成功,而 且情急之下,Shockley还写了近600页的巨著,成为日后半导体理论的葵花宝典。彻底奠定了他在半导体领域理论和应用的无人望其项背的宗师地位。

Shockley's magnum opus
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?????? 荣誉与掌声接踵而来,1951年,Shockley被选为美国科学院院士,时年仅仅41岁。两年后,获得了美国科学院物理大奖,以及其它很多奖项。 Shockley当然觉得很爽,但是Bardeen和Brattain却很郁闷。贝尔实验室的领导总是煞费苦心地把这些在半导体领域的成就,说成是三个人 的集体智慧的结晶。Shockley非但不开窍,反而屡屡激怒本已郁闷的两位同事,而且还小家子气地阻挠二位参与三明治式设计的进一步研究。 Bardeen和Brattain二位也是心气颇高的人,哪里能忍受这份挤兑。终于分手,从此这两位高人,再也没有涉足晶体管的研究。Shockley的 一点小算盘,造成了人类科技进步无法估量的大损失。
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?????? 尽管如此,1956年的诺贝尔物理学奖,没有忘记John Bardeen和Walter Brattain。
???标签: 晶体管
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