威廉·肖克利

美国物理学家和发明家

威廉·肖克利(William Shockley,1910年2月13日-1989年8月12日),美国物理学家和发明家, 晶体管 的发明人之一, 90多项专利拥有者, 诺贝尔物理学奖获得者 。

1932年,肖克利在 加州理工学院 学习 固体物理学 并获得了理学 学士 。1936年,肖克利从 麻省理工学院 拿到博士学位。 博士毕业后,肖克利加入了贝尔实验室(1925年成立), 第二次世界大战 期间,他曾经短期离职,加入美国海军研究机构,从事反潜艇技术的开发。二战结束后,肖克利回到贝尔实验室,负责 电子管 物理学方面的科研工作。 1948年,肖克利与他人合作发明了 晶体管 ,从而获得了 诺贝尔物理学奖 。 随后他于1956年在加州 山景城 创立了 肖克利半导体实验室 ,聘用了很多年轻优秀的人才,但很快因公司内部不合而与两年后永久关闭。 1963年,肖克利被任命为 斯坦福大学 首任工程科学教授,并担任工程和 应用科学 领域的特聘教授, 他被认为是“将硅带进硅谷的人”。 但是肖克利晚年时放弃了对半导体的研究而转向研究人类基因与智力之间的关系,他的优生观念与 种族主义 思想在社会上遭到很多人批判。 1989年8月12日, 已经逐渐被人遗忘的肖克利死于 前列腺癌 ,享年79岁,被埋葬在 加利福尼亚州 帕洛阿尔托的阿尔塔梅萨纪念公园。

肖克利一生有很多荣誉,如1946年获得国家功绩勋章;1953年,同时获得康斯托克物理学奖与奥利弗·E·巴克利固体物理奖;1956年因发现 晶体管 效应获得 诺贝尔物理学奖 ,他被《时代》杂志评为20世纪最具影响力的100人之一。 肖克利在物理上有很大贡献,他的代表著作有《半导体中的电子和空穴,及其在晶体管电子学中的应用》等。 为纪念肖克利,很多校园都有他的雕像,如 大连东软信息学院 校园内就有肖克利全身像。

人物生平

早期生活与教育

威廉·肖克利于1910年出生在英国伦敦,三岁时随父母来到 加利福尼亚州 。父母均为 美国 人,他的父亲威廉·希尔曼·肖克利(William Hillman Shockley)毕业于 麻省理工学院 ,是一名采矿工程师,他的母亲梅(May)毕业于 斯坦福大学 ,是美国第一位女性副采矿测量员。

肖克利小时候在一名斯坦福大学物理学教授邻居那里学到了一些物理学, 但因顽皮被他父母送入了柏拉阿图市军校,并学习了两年,在这里他第一次接触到 无线电 技术和最新科技进展成果。 1927年,搬迁到 洛杉矶 后,肖克利在好莱坞高中毕业。

1932年,肖克利在 加州理工学院 学习 固体物理学 并获得了理学 学士 。后来,1936年,肖克利从 麻省理工学院 拿到博士学位,其博士论文题目为计算 NaCl晶体 内的电子密度函数。 博士毕业后,肖克利加入了东部 新泽西州 的贝尔实验室(1925年成立), 第二次世界大战 期间,他曾经短期离职,加入美国海军研究机构,从事反潜艇技术的开发。二战以后,肖克利回到贝尔实验室,负责 电子管 物理学方面的科研工作。

职业生涯

1936年,肖克利加入了新泽西州默里山由克林顿·戴维森(Clinton Joseph Davisson)领导的一个团体,直至1955年离职。 1938年,肖克利在《物理评论》(Physical Review)上发表了多篇关于固体物理的基础论文并且获得了第一个关于电子倍增器的专利“电子放电装置”。 后来,贝尔实验室的高管们推测,半导体可以为贝尔全国电话系统中使用的真空管提供固态替代品。肖克利构思了许多基于 氧化铜 半导体材料的设计,并与 沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain)于1939年尝试创建原型,但未成功。

20世纪三十年代末, 第二次世界大战 爆发后,肖克利之前的研究工作被中断,他开始在纽约 曼哈顿 从事雷达研究。1942年5月,他从贝尔实验室离职,成为 哥伦比亚大学 反潜战作战小组的研究主任, 研究的主要内容是通过优化护航技术来对抗潜艇,因此肖克利也经常前往 五角大楼 和 华盛顿哥伦比亚特区 会见高级官员和政府官员。

1944年,肖克利组织了 B-29轰炸机 飞行员使用新型雷达炸弹瞄准器的培训计划。同年年底,肖克利对世界各地的基地进行了为期三个月的考察,后来战争部长罗伯特·帕特森于1946年10月17日授予肖克利 功绩勋章 。

1948年,肖克利与他人合作发明了 晶体管 。三年后,肖克利在美国陆军科学咨询办公室担任专家顾问,并于1958年在空军科学咨询委员会任职。次年,肖克利成为了 美国国家科学院 院士,后来逐渐也获得了 宾夕法尼亚大学 、 罗格斯大学 和古斯塔夫·阿道夫学院(明尼苏达州)的荣誉科学博士学位。

1954年,肖克利离开了贝尔研究所,在加利福尼亚州帕洛·阿尔托创办了肖克利半导体研究所(企业)。他的声望使他得到了雷声公司甚至 约翰·洛克菲勒 的支持,在他身边就有八位二十多岁的年轻科学家。 1956年1月,肖克利因发现晶体管效应获得 诺贝尔物理学奖 。

肖克利富有创造才能,但却不善管理企业,他将公司办得像大学的实验室,从而引起那八位年轻科学家的不满,后来他们重新立了一家名叫仙童的公司,这个公司在半导体发展中起过重要作用。肖克利失去了一批新生力量后,并对他们进行了谩骂。1958年,肖克利把公司改名为肖克利晶体管研究所,强调了生产,但公司一年后就被别人收购,并最后归于 美国电话电报公司 。但肖克利的这番创业为美国半导体科研生产基地的“ 硅谷 ”奠定了基础。

1963年,肖克利被任命为 斯坦福大学 首任亚历山大·M·波尼亚托夫(Alexander M. Poniatoff)工程科学教授,并担任工程和应用科学领域的特聘教授。

晚年逝世

1989年,肖克利死于 前列腺癌 ,享年79岁,被埋葬在 加利福尼亚州 帕洛阿尔托的阿尔塔梅萨纪念公园。

主要成就

发明晶体管

1945年战争结束后不久,贝尔实验室成立了一个固态物理学小组,由肖克利和化学家斯坦利·摩根(Stanley Morgan)领导,他们的任务是寻求一种固态器件来替代易碎的玻璃真空管放大器。它的首次尝试是基于肖克利关于使用半导体上的外部 电场 来影响其导电性的想法。

1946年冬天,该研究小组在获得足够结论后将有关表面状态的论文提交给《物理评论》(physical review),随后便进行半导体表面观察实验。在实验中,他们用 电解质 包围半导体和导线之间的接触,然后建立可以轻松改变输入信号的频率电路,实验过程中,肖克利还建议将p-n结上的乙二醇硼酸液施加电压,最后他们在实验中获得了一些关于功率放大的证据。

1947年12月,肖克利研究小组发明了用半导体材料制成的电子管—— 晶体管 ,它标志着半导体技术革命的开始。晶体管技术问世后仅一年时间就被商业化,它立刻取代了原有的真空电子管,在迅速发展的电子工业中得到广泛应用。

1948年1月23日,在连续奋战了一个月之后,肖克利建立了一种新型的晶体管实现模型。他在一个笔记本中写道,这种晶体管应该具有三层结构,中间一层使用P型半导体,外部的两层使用N型半导体。肖克利认为这种晶体管结构可以使用蒸镀方式实现,并通过欧姆接触的方式,使用金属引线分别与三个半导体层相连。

1948年2月13日,另一位团队成员约翰·夏夫(John Shive)建造了一个点接触晶体管,观察到在锗的正反两面都带有青铜触点,由此可证明电洞可以扩散到整个锗中,而不仅仅是沿表面扩散。 夏夫的发明激发了肖克利发明结型晶体管,几个月后,肖克利发明了一种全新的,坚固得多的“ 三明治 ”结构晶体管。 这种结构一直被用于20世纪60年代的绝大部分晶体管,并逐步发展成为双极结型晶体管。 后来肖克利承认自己一直保密自己的工作,直到1948年夏夫的前进迫使他“亮明手牌”。肖克利对他所谓的“三明治”晶体管进行了相当完整的描述,并于1949年4月7日获得了第一份原理证明。

肖克利将这三条金属线对应的引脚命名为发射极、集电极与控制极,这个控制极后来被改名为基极。其中基极类似于阀门控制器,用于调整电流的放大能力。他简单绘制了这种 晶体管 的能带结构图,进一步说明了这种晶体管的放大原理,并将其称为结型晶体管,以区别 约翰·巴丁 和 沃尔特·布拉顿 发明的点接触式晶体管。

除了在科学和技术期刊上发表的大量文章外,肖克利还出版了他的巨著《半导体中的电子和空穴》(1950年)和在1952年撰写了《近乎完美晶体的缺陷》。他为自己的发明申请了50多项美国专利。书集包括肖克利关于漂移和扩散的批判性思想以及控制固态晶体中电子流动的微分方程。还描述了肖克利的二极管方程。这项开创性的工作成为其他科学家的参考书,他们致力于开发和改进晶体管以及基于半导体的其他器件的新变体。后来,肖克利发明了“双极结型晶体管”,该发明在1951年7月4日的新闻发布会上宣布。

肖克利半导体实验室

1955年,肖克利在 加利福尼亚州 山景城创办了肖克利半导体实验室,该实验室离他在加利福尼亚州帕洛阿尔托的年迈母亲很近。该公司是贝克曼库尔特的一个部门,也被称为 硅谷 的第一家致力于硅 半导体器件 的公司。后来,一些组织者在2002年称,肖克利是“将硅带入硅谷的人”。

主要论著及专利

主要论文

二战前

二战后

主要著作

发明专利(部分)

荣誉与奖项

荣誉

奖项

人物评价

英国 科普作家安吉拉·赛尼(Angela Saini)在她的著作《优越:种族科学的回归》( superior : The Return of Race Science)中评价:晚年的肖克利是一个“臭名昭著的种族主义者”。

个人生活

家庭生活

1933年8月,23岁的肖克利与简·贝利(Jean Bailey)结婚并育有两个儿子和一个女儿。 1953年,肖克利于与他的妻子分居。1955年,他与精神科护士艾米丽·兰宁(Emily Lanning)结婚;她帮助他提出了一些理论。 他的一个儿子在 斯坦福大学 获得了博士学位,他的女儿则毕业于拉德克利夫学院。

个人思想

肖克利是接受 先锋领航集团 资助的种族理论家之一,他的捐款来自该基金的创始人、 优生学 家威克利夫·德雷珀。 肖克利提议,智商低于100的个人应支付自愿绝育费用并支付1000美元。这一提议导致 利兹大学 撤回其提供的 荣誉学位 学位给他。 1973年, 威斯康星大学 教授埃普斯(Epps)认为肖克利的立场容易导致 种族主义 解释。 南方贫困法律中心 将肖克利描述为一名 南非白人 民族主义者。 肖克利提到,他的研究结果并不支持白人至上,而是声称东亚人和犹太人在智力上比白人更好。 肖克利晚年越过了他熟悉的领域,转去研究人类智能。他得出人的智能与种族有关、白人比黑人更聪明的结论,遭到激烈的抨击。他在 斯坦福大学 的朋友也都与他中断了来往。1989年,肖克利去世后,给后人留下了许多争议和遗憾。

后世纪念

屹立于大连东软学院校园内的肖克利 雕像 。

参考资料

  1. 大连东软信息学院的雕塑 /www.mafengwo.cn 2024-05-11
  2. A Biographical Memoir of William Bradford Shockley www.nasonline.org 2024-04-26
  3. William B. Shockley Biographica www.nobelprize.org 2024-04-26
  4. Inventors of the transistor followed divers e paths after 1947 discovery news.google.com 2024-04-26
  5. "Possible Transfer of Metallurgical and Astronomical Approaches to Problem of Environment versus Ethnic Heredity gwern.net 2024-04-26
  6. Shockley on Eugenics and Race: The Application of Science to the Solution of Human Problems gwern.net 2024-04-26
  7. Method of making a semiconductive switching array patents.google.com 2024-05-11
  8. Semiconductive device patents.google.com 2024-05-11
  9. Reverse-breakdown diode pulse generator patents.google.com 2024-05-11
  10. Semiconductor devices patents.google.com 2024-05-11
  11. Thermostat patents.google.com 2024-05-11
  12. Mobile antenna raising and lowering device patents.google.com/ 2024-05-11
  13. William Shockley www.pbs.org 2024-04-26
  14. "Transistorized! William Shockley" www.pbs.org 2024-04-26