他是一名物理学家,是1956年诺贝尔物理学奖获得者。他是一名武器专家,推进了雷达、原子弹的改进和发明。他亦是硅谷先驱,引导“硅谷"走向电子产业新时代。

而他一生最大成就是晶体管,带领世界掀起高科技革命。但他的一生也颇具争议,晚年被嘲笑、抨击,最终被遗忘。他就是“晶体管之父”——威廉·肖克利(William Shockley)。

一、问题少年肖克利

1910年2月13日,肖克利在伦敦出生,父母都是美国人。他的父亲是一名采矿工程师,会说八种语言。他的母亲毕业于斯坦福大学,是美国第一位女性副采矿测量员。

小肖克利虽然天资聪明,但却没有用到“正途”上。小肖克利脾气十分暴躁,非常难带。据他父亲在日记中写透露,在三岁时,他就用石头击中了一只腊肠犬的眼睛。于是父母打算换个环境,带着三岁的肖克利回到了美国,定居在加州旧金山的帕洛阿尔托。

回到美国后,肖克利的脾气也没有好转,曾经在家中客厅地毯下装能发出恐怖声响的开关,吓到访客人。因此父母也不敢送他去学校,八岁前一直都在家里对他教学。

肖克利童年时期的家之一,位于旧金山韦弗利街959号

想不到校园里的肖克利行为居然有了改善。后来父母又把他送到了帕洛阿尔托军事学院,这里的管理也更加更严格,肖克利脾气渐渐得到控制,并且还取得了不错的成绩。

大约是在11岁时,肖克利结识了邻居斯坦福大学物理学教授的两个女儿,两人经常跟他讲一些物理学知识,这也成为他物理学的启蒙。

不幸的是,1925年,在肖克利15岁时,父亲去世了。于是他和母亲搬到了好莱坞,一开始在洛杉矶教练学校学习了一段时间的物理,母子两人生活稳定后,肖克利也进入了正统高中学习。1927年,17岁的肖克利从好莱坞高中毕业,并成功进入加州理工学院攻读自己喜爱的物理学专业。1932年,肖克利从加州理工学院毕业后,同年又进入麻省理工学院攻读物理学博士学位。

二、职业生涯开启,二战功臣

1936 年,在约翰·斯莱特教授的指导下,肖克利提交了一篇关于氯化钠晶体内的电子密度函数的论文。同年,加入贝尔实验室,在由克林顿·戴维森博士领导的团队中工作,正式开启对晶体管的研究。

当时,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·布拉顿于1939年尝试创建原型,但都未成功。肖克利还在《物理评论》上发表了多篇关于固体物理的基础论文。1938年,他获得了第一个关于电子倍增器的专利“电子放电装置” 。

然而,二战愈演愈烈,肖克利之前的研究被迫中断,他也被调到曼哈顿从事雷达研究。在这里,他的工作成功推进了雷达设备和深水炸弹的技术。后来,他又彻底重新设计了美国轰炸机机组人员的训练程序。

他在武器研究方面的才能,其实更早于此。在战争开始之前,他和同事詹姆斯·菲斯克就偶然地设计了一个核反应堆,类似于曼哈顿计划的发现,最终促就了原子弹的诞生。由于肖克利在二战中所做的贡献,在战争临近结束时,肖克利成为了战争部长办公室的专家顾问,这使他成为洛斯阿拉莫斯(美国原子武器研究基地)以外排名最高的平民科学家之一,被授予了国家功绩勋章。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的主要入口

三、重启晶体管研究

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,肖克利也终于恢复了之前研究。由肖克利和化学家斯坦利·摩根领导,成员包括约翰·巴丁、沃特·布拉顿、物理学家杰拉德·皮尔逊、化学家罗伯特·吉布尼、电子专家希尔伯特·摩尔和几名技术人员。

一开始他们尝试基于肖克利关于在半导体上使用外部电场来影响其电导率的想法。然而,这些实验在各种配置和材料上每次都失败了。这也导致该小组一直处于停滞状态。直到巴丁提出了一种利用表面态来阻止场穿透半导体的理论。该小组将重点转向研究这些表面状态,他们几乎每天都会开会讨论。

这时,小组成员之间的关系也十分融洽。活动结束后,一行人还会去布拉顿的公寓里喝点儿小酒。布拉顿是爱怼人的实验大师,他于1902年出生在中国厦门,1岁时跟随父母回到了美国。1929年,在明尼苏达州立大学物理学专业博士毕业后就加入了贝尔实验室。

巴丁则是个理论物理学家,他是二战后1945年才进入贝尔实验室的。他也是迄今为止唯一个两次获得诺贝尔物理学奖的人。先后于1956年和1972年获诺贝尔物理学奖。

巴丁(左)、肖克利(中)和布拉顿(右)

四、晶体管发明,三人决裂

到1946 年冬天,他们终于有了成果,巴丁向《物理评论》提交了一篇关于表面态的论文。布拉顿开始了实验,通过在半导体表面照射强光时进行观察来研究表面状态。经过一系列的试错、挫折和弯路。最后,皮尔逊按照肖克利的建议,在p-n结上放置的乙二醇硼酸酯液滴上施加电压时,他们开始获得一些功率放大的证据。

1947年12月16日,布拉顿和巴丁一起制造了第一个成功的放大半导体器件,他们称其为晶体管。布拉顿在实验笔记上写到:“在锗表面上用点接触方法加上两个电极,间隔400微米。此时1.3伏的直流电压,被放大了15倍。”改变历史的晶体管就这样诞生了。

贝尔实验室第一只晶体三极管的复制品

一个月后,贝尔实验室的专利律师开始处理专利申请,由于晶体管诞生的那一刻肖克利不在场,加之律师发现,肖克利的场效应原理与1930年朱利叶斯·利林菲尔德申请的专利有冲突,虽然那项专利无法做成产品。于是,发明人并没有署名肖克利。

消息一出,肖克利立马恼了,因为这项工作是基于他的场效应想法,整个研究过程肖克利也直接参与了,但发明专利上竟然没有他的名字。愤怒的情绪逐渐被放大,肖克利甚至公开表示自己在晶体管发明上功劳最大。而贝尔实验室的管理层却始终认为是三人团队的共同成就。这也导致肖克利与巴丁、布拉顿之间的关系恶化,逐渐疏远。

于是布拉顿转到了贝尔实验室的另一个研究小组。巴丁也开始转向研究超导理论,并于1951年离开了贝尔实验室前往伊利诺伊大学,也是在那里他最终因超导理论第二次获得诺贝尔奖。

在愤怒的同时,肖克利也开始独自秘密钻研,他知道点接触晶体三极管效率不高,因此他构建了一种基于结的——“结型晶体管”,使后来的晶体管和集成电路的大规模生产成为可能。这一次,肖克利独自向美国专利局递交了该专利。

与此同时,肖克利还撰写了他的代表作《半导体中的电子与空穴》该书于1950年以558页的论文形式出版。后来成为了开发及改进晶体管和其他基于半导体设备科学家的参考文本。1951年,肖克利当选为美国国家科学院院士(NAS),这时他才41岁。

四、偏执的领导,“八人叛逆”

1953年左右,肖克利也离开了贝尔实验室,前往加州理工学院工作。三年后,1956年,肖克利、巴丁和布拉顿三人也因晶体管的发明,共同获得了诺贝尔物理学奖。

1955年,肖克利在贝克曼仪器公司的支持下在加利福尼亚州山景城创办了肖克利半导体实验室,后来也被称为硅谷的第一家致力于硅半导体器件的公司。当时很多有才华的年轻人都慕名而来,希望可以要干一番大事业。毕竟有哪家公司是由诺贝尔奖得主领导的呢?可惜他们高兴的太早了。

肖克利是一位科研天才,却不是一个好领导。他对管理一窍不通,并且他的性格也非常专横且反复无常,而且越来越偏执。硅谷的一位硅谷经理人是这样评价肖克利的:“他是一位天才,又是一位十足的废物。”

因此到了1957年,八人中有七人产生了跳槽的想法。于是,就发生了硅谷最著名的典故之一“叛逆八人帮”,这些人中包括了英特尔公司创始团队,摩尔定律提出者——戈登·摩尔,集成电路的发明者——罗伯特·诺伊斯。

“叛逆八人帮”(最左为摩尔,最中间为诺伊斯)

1957年9月18日,八人一起成立了仙童半导体,很快成长为当时半导体行业领导者。1960年,成为硅谷的孵化器,直接或间接参与了包括英特尔、AMD等数十家公司的创建。

肖克利的公司却因为失去人才而陷入困境,最终被售卖。于是肖克利再次回到校园,来到了斯坦福大学任教。虽然不是好的领导,但他却是一位出色的老师。他研究了如何培养创造力,特别是解决问题的能力,并将其应用于斯坦福大学的本科生和工程研究生,取得了相当大的成果。

1963年肖克利被任命为亚历山大· 波尼亚托夫工程与应用科学教授,一直担任该职位直至1975年以名誉教授身份退休。

六、令人唏嘘的晚年生活

在生命的最后二十年里,肖克利致力于种族和人类智力的极端观点以及对优生主义。他认为,人类未来将受到威胁,因为低智商的人比高智商的人有更多的孩子,因此他支持鼓动智力低下者自愿绝育,他的观点也变得越来越有争议,并受到生物学家和遗传学家猛烈抨击。这些极具争议的活动,一度掩去了了他的科学成就和他对硅谷所做的贡献。

同时,由于其偏执的性格和极端的观点,他与家人相处也不融洽。肖克利结过两次婚,与前妻育有两子一女。尽管他的一个儿子获得了斯坦福大学博士学位,他的女儿也毕业于著名的女子学校拉德克利夫学院。但他却认为,自己的孩子代表着一种非常重大的“倒退”,只是因为他的第一任妻子,孩子们的母亲,学术成就不如他。

1989年,肖克利因癌症去世,享年79岁。肖克利在去世时,除了他的第二任妻子艾米丽·兰宁(精神科护士)之外,他与大多数朋友和家人都已经疏远了,艾米丽也没有为他举行葬礼。而他的三个孩子也是通过报纸上的讣告才得知了他的死讯。

在他去世多年后,随着他的晶体管被更多人利用,最终创造出一个庞大的新工业,成为所有现代电子设备的核心。他的科学成就也再次被越来越多人提起。1999年,他被《时代》评为20世纪最重要的100人之一。

后来作家乔尔·舒尔金 (Joel Shurkin) 在2006年出版的《破碎的天才:电子时代创造者威廉·肖克利的兴衰》(Broken Genius: The Rise and Fall of William Shockley, Creator of the Electronic Age)一书中对他进行了最高的评价,其中写道:

“推动电子时代的每一枚晶体管,现在存在于我们的家庭和办公室中,我们的计算机、手表、烤箱、CAT扫描设备、汽车、传真机、相机、电话,以及飞机、宇宙飞船,都是那个设备的后代。肖克利在晶体管方面的壮举是他一生最伟大的成就,它改变了世界。”

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